JP3828467B2 - 塩基配列解析チップ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動処理により塩基配列の検出及び解析を行う塩基配列解析チップ及び塩基配列解析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電流検出型ＤＮＡチップにおいては，挿入剤と呼ばれる、ＤＮＡの２本鎖に選択的に吸着し電気分解における酸化電流を発生する化学物質が用いられる。すなわち、プローブとターゲットのハイブリダイゼーションが終了した後、電極を挿入剤に浸漬し、この電極を通して挿入剤の酸化電流を検出することにより、ターゲット吸着の有無を判定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の電流検出型ＤＮＡチップでは、２つの問題があった。第一は、ターゲットとプローブの結合に由来する信号以外の電流がプローブを固定した電極（以下検出極と称する）で検出されてしまうことであり、第二は挿入剤吸着量の時間依存性ならびに挿入剤自体の劣化が測定に与える影響である。
【０００４】
本来、挿入剤はＤＮＡの２本鎖に選択的に吸着する。しかし、実際には検出極近傍では２本鎖以外の部分にも挿入剤が吸着されてしまうため、この吸着部位から信号が発生し、測定信号に重畳する。これが第一の問題である。この第１の問題に関しては，検体中のＤＮＡの存在の有無に無関係な信号を検知する専用の電極(以下対照極と称する)を設け、この電極とプローブから得られる信号の差から本来検出すべき信号を得なければならない。
【０００５】
ここで挿入剤の吸着量は，飽和するまでに一定の時間を要する。また、挿入剤の特性は時間経過と共に劣化する。この現象は、測定の方法によって２つの電極から得られる信号の差に影響を与える可能性が有る。すなわち、対となる電極間の条件が異なる。特に、挿入剤で電極の浸漬を開始した時刻から目的の電極の測定を開始する時刻までの間に挿入剤吸着量が累積する、あるいは挿入剤の劣化が起こるなどし，本来同一の条件で測定を行うべき電極の対で条件の不一致が生ずることとなる。これが第二の問題である。
【０００６】
図１８はセル１３内の酸化電流と挿入剤浸漬時間の関係を示す図である。この図から分かるように、浸漬時間により酸化電流は大きくばらつくといえる。
【０００７】
この第二の問題は，検出極と対照極との比較に限らず、プローブ同士を比較する際にも問題となる．たとえば、ヒト遺伝子の一塩基多型のひとつとして知られるＭｘＡ８８についてＧ−Ｇホモ型、Ｔ−Ｔホモ型、Ｇ−Ｔへテロ型のいずれであるかを判定しようとする場合、プローブにＧ型とＴ型を用い，両者から得られる信号の差異を検定しなければならない。このため、Ｇ型検出用プローブ、Ｔ型検出用プローブ、ＧＴ型検出用プローブの各々が同一の条件で測定されることが測定精度を高めるのに必須である。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、自動処理により高精度で塩基配列の検出及び解析を行う塩基配列解析チップ及び塩基配列解析装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の一の観点によれば、基板と、前記基板上に形成され、検出の対象とする標的塩基配列とは相補的な塩基配列を有するプローブが固定化される複数の検出極と、前記基板上に形成され、前記標的塩基配列と相補的な塩基配列を有するプローブが固定化されていない対照極と、前記基板に形成され、前記複数の検出極の電気化学信号を測定する第１測定部と、前記基板に形成され、前記対照極の電気化学信号を測定する第２測定部と、前記基板に形成され、第１測定部の第１測定値から第２測定部の第２測定値を減算する減算部と、前記基板外部からの信号に基づき、第１測定部及び第２測定部の測定を同時に制御し、かつ減算部の減算を制御する制御部とを具備し、
前記複数の検出極は、少なくとも２つの検出極からなる検出極群の集合からなり、前記対照極は、少なくとも２つの対照極からなる対照極群の集合からなり、第１測定部は前記複数の検出極群の各々に対して１つずつ複数設けられ、第２測定部は前記複数の対照極群の各々に対して１つずつ複数設けられ、前記制御部は、前記複数の第１測定部の測定を同時に制御し、且つ前記複数の第２測定部の測定を同時に制御する塩基配列解析チップが提供される。
この発明の別の一の観点によれば、基板と、前記基板上に形成され、検出の対象とする標的塩基配列とは相補的な塩基配列を有するプローブが固定化される複数の検出極と、前記基板上に形成され、前記標的塩基配列と相補的な塩基配列を有するプローブが固定化されていない対照極と、前記基板に形成され、前記複数の検出極の電気化学信号を測定する第１測定部と、前記基板に形成され、前記対照極の電気化学信号を測定する第２測定部と、前記基板に形成され、第１測定部の第１測定値から第２測定部の第２測定値を減算する減算部と、前記基板外部からの信号に基づき、第１測定部及び第２測定部の測定を同時に制御し、かつ減算部の減算を制御する制御部とを具備し、前記対照極は複数設けられ、第１測定部は複数の検出極の各々に対して１つずつ複数設けられ、第２測定部は複数の対照極の各々に対して１つずつ複数設けられてなり、前記制御部は、複数の第１測定部及び複数の第２測定部の各々の測定を同時に制御する塩基配列解析チップが提供される。
【００１２】
また、装置に係る本発明は、その装置により実現される方法の発明としても成立する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態を説明する。
【００１４】
図１は本発明の一実施形態に係る塩基配列解析装置の一例を示す図である。図１に示すように、コンピュータ１と、このコンピュータ１に電気的に接続された塩基配列解析チップ２から構成される。
【００１５】
塩基配列解析チップ２は、コンピュータ１からの命令に基づき、チップ上に形成された電極からの電気化学信号を検出し、その検出信号の電流電圧変換、ＡＤ変換、平均値算出等の信号処理、減算、塩基配列判定等を行い、得られた判定結果等のデータをコンピュータ１に出力する。
【００１６】
この塩基配列解析チップ２は、半導体やガラス等からなる基板１１上に形成されたＴｉ及びＡｕ等の積層構造からなる電極１２と、この基板１１に形成された電流電圧変換回路、ＡＤ変換回路、信号処理回路、減算回路やこれら回路の動作制御を行う制御回路などの周辺回路が半導体微細加工技術を用いて形成されている。また、各電極１２上には、試料や薬液などを収容し、これら試料や薬液と電極１２上のプローブとの電気化学反応を生じさせるセル１３が設けられている。
【００１７】
周辺回路の形成は、基板１１に予めこれら回路を形成するために必要なゲート数に対応する論理ゲートに、論理設計に基づく回路配線を半導体微細加工技術を用いて形成することにより実現可能である。もちろんゲートアレイに限らず、他のカスタムＩＣ開発工程により形成されてもよい。図１の例では、塩基配列解析チップ２の全面に電極１２及びセル１３が配置される場合を示したが、その一部の領域に配置し、他の領域には周辺回路が形成されるようにしてもよい。
【００１８】
以下の実施形態では、検出の目的とするＤＮＡの塩基配列を標的塩基配列と呼ぶ。そして、この標的塩基配列と相補的であり、この標的塩基配列と選択的に反応する塩基配列を標的相補塩配列と呼ぶ。この標的相補塩基配列を含むＤＮＡプローブが塩基配列解析チップ２の検出極に固定化される。塩基配列解析チップ２のセル１３内に導入される試料（検体溶液）には、検査の対象となるＤＮＡ等の塩基配列を有する物質が含まれている。この検査の対象となるＤＮＡの塩基配列を検体塩基配列と呼ぶ。
【００１９】
標的塩基配列とプローブの塩基配列が相補的であるとは、標的核酸配列中の連続する部分塩基配列がプローブの塩基配列に対し５０％〜１００％の相補性を持つことを指す。より好ましくは、１００％の相補性を持つことを指す。なお、相補性を示す指標は、比較する全塩基配列に対し比較対象の二者間で一致する塩基数の割合を示す。
【００２０】
この実施形態の塩基配列解析チップ２は、この検体塩基配列と固定化プローブの標的相補塩基配列をセル１３内でハイブリダイゼーションさせ、その反応の有無を挿入剤導入後にモニタリングすることにより、試料中に標的塩基配列が含まれているか否かを判別するチップである。
【００２１】
図２は塩基配列解析チップ２表面に設けられた電極構造の一例を示す図である。図２に示すように、検出極２０１、参照極２０２、対極２０３が１つずつ設けられた検出極系２１１〜２１ｎがｎ個、対照極２０４、参照極２０５、対極２０６が１つずつ設けられた対照極系２２が１個配置されている。複数の検出極系２１１〜２１ｎに対して１つの対照極系２２が対応して設けられている。これら検出極系２１１〜２１ｎや対照極系２２などの電極系、すなわち検出極２０１、参照極２０２及び対極２０３の３電極の組合せや、対照極２０４と、参照極２０５及び対極２０６の３電極の組合せに対してポテンシオ・スタットなどの３電極測定回路が接続され、各電極系２１，２２において電気化学測定信号が得られる。
【００２２】
検出極２０１及び対照極２０４は、セル２３内の反応電流を検出するための電極である。検出極２０１には、標的塩基配列とは相補的な標的相補塩基配列を有するＤＮＡプローブが固定化される。
【００２３】
対照極２０４は、検出しようとする標的のＤＮＡとプローブＤＮＡのハイブリダイズに由来する電流以外の電流であるバックグラウンド電流を検出し、後にバックグラウンド電流を検出極２０１で検出される電流から差し引くことによりバックグラウンド電流の重畳の影響を無くするための電極である。対照極２０４は、標的塩基配列と相補的でなく、標的塩基配列とハイブリダイゼーション反応を生じさせないような塩基配列を有するプローブが固定化されるか、あるいはプローブが固定化されずに利用される。
【００２４】
対極２０３及び２０６は、検出極２０１あるいは対照極２０４との間に所定の電圧を印加してセル２３内に電流を供給する電極である。
【００２５】
参照極２０２及び２０５は、参照極２０２と検出極２０１の間の電圧を所定の電圧特性に制御すべく、その電極電圧を対極２０３あるいは２０６に負帰還させる電極である。この参照極２０２及び２０５により、対極２０３あるいは２０６による電圧が制御され、セル２３内の各種検出条件に左右されない精度の高い酸化電流検出が行える。
【００２６】
図２に示した電極配置は本発明の特徴を説明するための一例にすぎず、その電極配置、電極の対応関係などを種々変更することができる。例えば、参照極２０２及び２０５は、各検出極系２１１〜２１ｎ及び対照極系２２に共通の１つの参照極とし、この１つの参照極と複数の検出極２０１及び対照極２０４を対応させて用いてもよい。また、検出極系２１１及び２１２については、ある１つの参照極を対応させ、検出極系２１３及び２１４については別の１つの参照極を対応させ、…というように、複数の検出極系に１つの参照極を対応させて配置してもよい。また、対極２０３及び２０６についても参照極と同じような変更が可能であり、複数の検出極２０１や対照極２０４について１つの対極２０３や２０６を共有して用いたりすることができる。また、１つの電極系２１あるいは２２に複数の検出極２０１あるいは複数の対照極２０４を配置してもよい。このように、複数の検出極２０１や対照極２０４に対して１つの参照極や１つの対極を対応させてもよい。
【００２７】
図２の実現形態では，１種類のプローブに対して1つの検出極が設けられ、ネガティブコントロール１つに対して１つの対照極が設けられた場合を示した。この実施形態は、１つの電極による各測定の信頼性が充分である場合には有効である。実際の測定では、溶液の均一性など，何らかの要因で測定結果に揺らぎが生ずる場合がある。この揺らぎを補償するため、プローブ及びネガティブコントロール共に，同種の電極を複数個用い、これら複数の電極の平均を取ることが有効である。
【００２８】
図３は塩基配列解析チップ２の回路構成の一例のブロック図である。
【００２９】
プローブモジュール３１１〜３１ｎは、検出極系２１１〜２１ｎに対応する構成である。ネガティブコントロールモジュール３２は１つ設けられている場合を示しているが、対照極系２２が複数設けられる場合には、その各々に対して１つずつ対応して設けられる。
【００３０】
プローブモジュール３１１〜３１ｎはそれぞれ検出極系２１１〜２１ｎを有し、セル１３内において検出極２０１から得られる電気化学信号の検出を行うセンサとしての機能と、そのセンスした電気化学信号の信号処理やデータ解析等の機能が一体化された回路である。
【００３１】
ネガティブコントロールモジュール３２は、対照極系２２を有し、セル１３内において対照極２０４から得られる電気化学信号の検出を行うセンサとしての機能と、そのセンスした電気化学信号の信号処理やデータ解析等の機能が一体化された回路である。
【００３２】
この塩基配列解析チップ２は、検出極２０１や対照極２０４で得られる電流を検出する電流検出型チップである。電流検出型チップの場合、検出極２０１と対照極２０４で得られるデータを比較しつつデータ解析を行うが、この図１の例では、これら２つの異なる機能を持つ電極を別々のモジュールとして実装する形態で実現されている。
【００３３】
これらプローブモジュール３１１〜３１ｎ及びネガティブコントロールモジュール３２は、それぞれ共通のグローバル命令バス３３、グローバルアドレスバス３４及びグローバルデータバス３５に接続されている。
【００３４】
コンピュータ１とのデータの入出力制御を行うインタフェース回路４１がコンピュータ１と例えば外部端子により信号線を介して接続されている。このインタフェース回路４１がコンピュータ１から受信した信号はデコーダ４２に出力される。デコーダ４２は、受信信号に基づきグローバル制御回路４３を参照して生成される制御手順に基づきプローブモジュール３１１〜３１ｎ及びネガティブコントロールモジュール３２を制御する。より具体的には、デコーダ４２は、生成された制御手順に基づきグローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４にグローバル命令信号及びグローバルアドレス信号を出力する。グローバルアドレス信号によりアドレス指定されたプローブモジュール３１１〜３１ｎ又はネガティブコントロールモジュール３２は、グローバル命令信号により指定された命令を実行し、得られたデータをグローバルデータバス３５に出力する。インタフェース回路４１は、グローバルデータバス３５のデータをコンピュータ１に出力する。
【００３５】
また、ネガティブコントロールモジュール３２における処理結果は、各プローブモジュール３１１〜３１ｎでの減算や比較に用いられる。従って、グローバルデータバス３５を介してネガティブコントロールモジュール３２からプローブモジュール３１１〜３１ｎの各々にデータが出力される。
【００３６】
処理を実行するモジュールの指定と実行する処理の種類は、デコーダ４２から各モジュール３１１〜３１ｎ及び３２に対してグローバルアドレスバス３４及びグローバル命令バス３３により与えられる。
【００３７】
一例として、各プローブモジュール３１１〜３１ｎで得られるデータをネガティブコントロールモジュール３２から得られるデータで減算する場合を想定する。この場合、各プローブモジュール３１１〜３１ｎで同時に酸化電流測定を行った後、ネガティブコントロールモジュール３２から得られるデータをグローバルデータバス３５を介して各プローブモジュール３１１〜３１ｎに送出する。各プローブモジュール３１１〜３１ｎでは、グローバルデータバス３５からネガティブコントロールのデータを取得し、減算する。従って、減算も各プローブモジュール３１１〜３１ｎで同時に行われる。なお、グローバルバス３３〜３５はすべてのモジュール３１１〜３１ｎ及び３２に共通の信号線となっているため、実際にはネガティブコントロールモジュール３２から各プローブモジュール３１１〜３１ｎに順次データが転送され、同時に減算が開始する。
【００３８】
塩基配列解析チップ２に外部から入力される命令信号の種類は、例えば（１）停止（２）無操作（３）測定開始（４）データ読み出し（５）ネガティブコントロールモジュール内減算（６）平均（７）モジュール内減算（８）モジュール間減算（９）リセットの９種類がある。この（１）〜（９）の命令信号は、命令コードとアドレスコードの組合せからなり、これらにより各構成要素に命令を与えることができる。
【００３９】
また、この９種類の信号に加えて、制御信号として（１０）ハードウェアリセット信号（１１）操作開始信号（１２）操作停止信号等を備える。これら（１）〜（１２）示した信号はコンピュータ１からインタフェース回路４１に入力され、バスを介さずに制御対象に直接入力され、制御対象のハードウェアを直接制御する。
【００４０】
塩基配列解析チップ２から外部に出力される信号としては、（１）データ（２）測定異常フラグ（３）操作終了フラグ等を備える。測定異常フラグや操作終了フラグなどのフラグは、演算記憶装置４５０の内部状態を外部に示すためのビットである。
【００４１】
デコーダ４２は、（１）〜（９）に示される命令に対応するグローバル命令信号、グローバルアドレス信号をグローバル制御回路４３から取得し、グローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４に出力する。
【００４２】
チップ外部、すなわちコンピュータ１から塩基配列解析チップ２を利用する場合、逐次コンピュータ１と通信しながら上述した（１）〜（９）に示される命令を１命令ずつ実行する逐次実行方式と、プログラムメモリ領域、プログラムカウンタ、計算手順を制御する論理回路を塩基配列解析チップ２内のいずれかの箇所に１つ配置し、チップ２内に処理手順を書き込み自動処理するプログラム実行方式が考えられる。
【００４３】
このプログラム実行方式の場合、（１）〜（９）に加えて、プログラムメモリへの書き込み命令を追加すればよい。プログラムメモリ領域、プログラムカウンタ及び論理回路は、例えばグローバル制御回路４３に実装するのが望ましい。なお、プログラムメモリ領域に書き込まれる処理手順は、塩基配列解析チップ２の機能や検出極２０１に固定化されるプローブの種類や数、電極数などの設計条件により異なる。従って、コンピュータ１は、チップ機能情報に基づきプログラムメモリ領域に書き込まれる処理手順を生成するユーティリティプログラムを備えるのが望ましい。これにより、いかなる機能及び構成を有する塩基配列解析チップ２においても自動処理が実現可能である。
【００４４】
この図３に示す塩基配列解析チップ２を用いた電気化学信号検出及び検出データの解析処理のフローチャートの一例を図４に示す。
【００４５】
まず、検出極２０１に標的塩基配列とは相補的な標的相補塩基配列を有するＤＮＡプローブを固定化した後、セル１３に試料を充填して所定の温度に保持する。これにより、ＤＮＡプローブが試料内の検体ＤＮＡとハイブリダイゼーション反応を生じる（ｓ１）。
【００４６】
次に、緩衝液でＤＮＡプローブ及びセル１３内を洗浄した後、セル１３内に挿入剤充填する。この挿入剤が導入された状態で測定を行う（ｓ２）。
【００４７】
この測定工程では、まずコンピュータ１からの測定開始信号をインタフェース回路４１がデコーダ４２に出力する。デコーダ４２は、測定開始信号を受け、その命令に対応するグローバル命令及びグローバルアドレスを取得し、グローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４に送出する。
【００４８】
この測定は各モジュール３１１〜３１ｎ及び３２で同時に行うため、これらすべてのモジュールのアドレスが指定される。プローブモジュール３１１〜３１ｎ及びネガティブコントロールモジュール３２は、このグローバルアドレスが指定されたグローバル命令を受け、測定を開始する。得られた測定データは各３１１〜３１ｎ及び３２にそれぞれ格納される。
【００４９】
より具体的に同時測定の原理を説明する。
【００５０】
測定を各モジュール３１ １ 〜３１ ｎ 及び３２で同時に行うため、デコーダ４２及びグローバル制御回路４３からなる制御部がこの同時性を制御する。グローバル制御回路４３は、測定を開始すべきモジュールのアドレスを生成する。生成されたアドレスは、専用の通信線により各モジュールに伝達される。この信号は、各モジュール内部で後述するローカル制御デコーダ５１等によりデコードされる。このデコードの結果、モジュールに同時に伝達された測定命令を実行するか否かが決定される。アドレス専用の通信線は、図３のようなバス方式で実現できる。この場合、測定を開始するアドレスはこの制御部によりグローバルアドレスバス３４に書き込まれ、各モジュール３１１〜３１ｎ及び３２で読み込まれる。
【００５１】
また、アドレスを示すコードを一斉にブロードキャスト可能なグローバル通信線を用いてもよい。
【００５２】
なお、同時測定を行うためにグローバルアドレスバス３４に書き込まれるアドレスを示すコードは、例えば３種類設定できる。具体的には、個別のモジュールを１つずつ指定するコード、複数のモジュールのうちの２以上の一部のモジュールを指定するコード、全モジュールを指定するコードである。一部のモジュールを指定するコードとしては、例えば同一あるいは同一種類の塩基配列を有するプローブ同士を指定するコードが考えられる。
【００５３】
これら３種類のコードが一斉に各モジュール３１１〜３１ｎ及び３２でデコードされ、指定されたモジュールは同時に測定を開始することができる。このアドレスを示すコードをデコードする操作を以下、アドレスデコードと呼ぶ。
【００５４】
個別のモジュールを指定するアドレスコードしか仕様に含めない場合、グローバル制御回路４３によるアドレスの生成は、同時に測定すべきモジュールのアドレスを逐次発生するようになる。これに応じて、指定されたモジュールが逐次測定を開始することにより、ある有限の時間のずれの範囲内でほぼ同時の測定が実現される。
【００５５】
逐次実行方式の場合、測定開始信号がコンピュータ１から入力されてから測定データが格納されるまで、コンピュータ１は逐次測定の詳細工程を実行するのに必要な各種命令をデコーダ４２に出力する。デコーダ４２はこれら各種命令をグローバル制御回路４３を参照してデコードしグローバル命令バス３３にグローバル命令信号を、グローバルアドレスバス３４にグローバルアドレス信号を送出する。以下、コンピュータ１による塩基配列解析チップ２の制御が終了するまで同様の動作が繰り返される。
【００５６】
次に、コンピュータ１は、平均信号をデコーダ４２に出力する。デコーダ４２は、この平均信号に基づき平均値算出を行うためのグローバル命令信号及びグローバルアドレス信号をプローブモジュール３１１〜３１ｎに対してグローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４を介して送出する。これにより、プローブモジュール３１１〜３１ｎは平均値算出処理を実行する（ｓ３）。
【００５７】
平均値算出は、各プローブモジュール３１１〜３１ｎで得られた測定データの平均値を算出する処理である。この平均値算出処理は、第１の算出手法として例えば１つの特定のプローブモジュール３１に他のプローブモジュール３１から測定データをグローバルデータバス３５を介して転送し、その特定の１つのプローブモジュール３１が取得したすべてのプローブモジュール３１についての平均値を算出し、得られた平均値データをグローバルデータバス３５を介してまた他のすべてのプローブモジュール３１に出力することにより実行可能である。他にも、第２の算出手法として、所定の数のプローブモジュール３１の組合せについて平均値を算出し、さらにその平均値同士に基づきさらに代表するプローブモジュール３１で平均値を算出するという工程を繰り返すことにより平均値を算出することもできる。
【００５８】
また、すべてのプローブモジュール３１１〜３１ｎの平均値を算出する必要はなく、検出極２０１に固定化されるＤＮＡプローブの種類などに応じて特定の種類のプローブモジュール３１同士の平均値を算出するようにしてもよい。例えばプローブモジュール３１１〜３１４が第１の塩基配列を有するプローブが固定化され、プローブモジュール３１５〜３１８には第２の塩基配列を有するプローブが固定化されている場合、プローブモジュール３１１〜３１４についての平均値を算出し、これとは別にプローブモジュール３１５〜３１８についての平均値を算出するように設定することができる。これにより、プローブの種類毎の平均値を算出することができる。
【００５９】
なお、図３に示す例では、ネガティブコントロールモジュール３２は１つのみ設けられている場合を示しているのでネガティブコントロール側での平均値算出を行う必要が無い。ネガティブコントロールモジュール３２が複数設けられている場合には、各ネガティブコントロールモジュール３２に対してプローブモジュール３１１〜３１ｎに対してしたのと同じ平均値算出を行う制御信号を出力する。
【００６０】
また、図３の例では、各プローブモジュール３１１〜３１ｎにはそれぞれ１つずつ検出極２０１が配置されている場合を示したため、プローブ間の平均値算出を行う例を示したが、各モジュールに複数の検出極２０１が配置されている場合、その複数の検出極２０１から得られる測定データの平均値をとることもできる。この場合、他のモジュールにデータを転送する必要が無い。
【００６１】
次に、コンピュータ１は、モジュール間減算信号をデコーダ４２に出力する。デコーダ４２は、このモジュール間減算信号に基づきデコーダ４２はモジュール間減算を行うためのグローバル命令信号及びグローバルアドレス信号をプローブモジュール３１１〜３１ｎ及びネガティブコントロールモジュール３２に対してグローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４介して送出する。これにより、プローブモジュー３１１〜３１ｎ及びネガティブコントロールモジュール３２はモジュール間減算処理を実行する（ｓ４）。
【００６２】
このモジュール間減算処理は、各プローブモジュール３１１〜３１ｎで得られた平均値データから、ネガティブコントロールモジュール３２で得られた測定データを減算する処理である。ネガティブコントロールモジュール３２が複数設けられている場合には、各ネガティブコントロールモジュール３２の各々の平均値データでプローブの平均値データを減算する。
【００６３】
具体的には、デコーダ４２は、ネガティブコントロールモジュール３２に対してグローバルデータバス３５への測定データ（あるいは平均値データ）送出を命令する第１の処理と、各プローブモジュール３１１〜３１ｎに対してこの送出された測定データの取得を命令する第２の処理と、モジュール内の平均値に対する取得した測定データの減算処理を命令する第３の処理からなる。
【００６４】
プローブモジュール３１１〜３１ｎがプローブの種別毎に平均値が算出されている場合、そのプローブの種別毎に平均値からネガティブコントロールモジュール３２からの測定データを減算する。この場合、すべてのプローブモジュール３１１〜３１ｎについて減算を行う必要は無く、プローブの種別毎に１つずつ代表するプローブモジュール３１１〜３１ｎのいずれかが減算を行えば足りる。もちろん、すべてのプローブモジュール３１１〜３１ｎが減算を行ってもよい。得られた減算値データは各プローブモジュール３１１〜３１ｎに格納される。
【００６５】
次に、コンピュータ１は、判定を行うための信号をデコーダ４２に出力する。この判定を行うための信号は、前述の（１）〜（９）をシーケンシャルに組み合わせることにより生成される。この判定を行うための信号に基づき、デコーダ４２は判定を行うためのグローバル命令信号及びグローバルアドレス信号をプローブモジュール３１１〜３１ｎに対してグローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４介して送出する。また、判定処理の内容によっては、ネガティブコントロールモジュール３２に対しても同様のグローバル命令信号及びグローバルアドレス信号を出力する。これにより、プローブモジュール３１１〜３１ｎやネガティブコントロールモジュール３２は判定演算処理を実行する（ｓ５）。
【００６６】
判定演算処理の一例としては、一塩基多型のＳＮＰ位置の塩基配列決定のための判定演算処理がある。この判定演算処理の場合、検出しようとする少なくとも２種類の型の候補を標的塩基配列として設定する。そして、その２つの標的塩基配列にそれぞれ相補的な第１のＤＮＡプローブと、この第１のＤＮＡプローブとＳＮＰ位置の塩基が異なる第２のＤＮＡプローブを、検出極２０１に固定化しておく。そして、各ＤＮＡプローブの種類毎に得られた減算値データをプローブモジュール３１１〜３１ｎ内で比較し、値が大きい方のＤＮＡプローブの塩基配列と相補的な塩基配列の型であると判定する。判定結果を示すデータはプローブモジュール３１１〜３１ｎ内に格納される。もちろん、比較する各ＤＮＡプローブの種類に対して１つずつ判定結果が得られればよいため、その判定を行う以外のモジュールでは判定処理を行う必要が無い。
【００６７】
なお、第１のＤＮＡプローブが固定化された検出極２０１と、第２のＤＮＡプローブが固定化された検出極２０１から得られた信号強度を比較する際に、本実施形態では、第１のＤＮＡプローブと第２のＤＮＡプローブの他にいずれの標的塩基配列も検出しない（すなわちハイブリダイゼーションを生じない）ネガティブコントロールが固定化された対照極２０４が配置される。対照極２０４では、遺伝子の検出とは無関係な信号成分が検出される。これら３つの電極を用いて型判定を行う場合、最終的には第１のＤＮＡプローブと第２のＤＮＡプローブから得られた信号強度を比較し、その信号強度の差や信号強度の比を基に判定結果を得ることになる。その信号強度の比較に先立ち、対照極２０４から得られた信号を第１のＤＮＡプローブ及び第２のＤＮＡプローブの各々について検出極２０１から得られた信号から減算しておく。この減算により、ＤＮＡの検出に関わる正味の信号の比較が可能となる。
【００６８】
第１及び第２のＤＮＡプローブ及びネガティブコントロールに対応する３つの電極で行われる測定が同時に行われることにより、測定時刻によって観測される電流値が変動する影響を排除した比較が可能となる。
【００６９】
ここで、電解質の均一性の不一致による影響を避けるべく、検出極２０１と対照極２０４は同一基板上に設けられていることが望ましい。さらに望ましくは、これら検出極２０１と対照極２０４は空間的に近接している。
【００７０】
次に、コンピュータ１は、データ読み出し信号をインタフェース回路４１を介してデコーダ４２に出力する。デコーダ４２は、このデータ読み出し信号に基づきデータ読み出しを行うためのグローバル命令信号及びグローバルアドレス信号をプローブモジュール３１１〜３１ｎに対してグローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４介して送出する。これにより、プローブモジュール３１１〜３１ｎは判定結果を示すデータをグローバルデータバス３５に送出する（ｓ６）。判定結果以外にも、減算値、平均値など他の解析データもあわせて送出してもよい。グローバルデータバス３５に送出されたデータはインタフェース回路４１を介してコンピュータ１に出力される。コンピュータ１は、取得したデータを例えば表示装置に出力する。
【００７１】
以上により塩基配列解析動作が終了する。
【００７２】
図５は各プローブモジュール３１１〜３１ｎの詳細な構成の一例を示すブロック図である。各モジュール３１１〜３１ｎは同じ構成であり、そのうちの１つのモジュールについて代表して図５で説明される。また、プローブモジュール３１とネガティブコントロールモジュール３２は、検出極２０１と対照極２０４の構成の相違以外は共通する構成である。
【００７３】
プローブモジュール３１は、デジタル関数発生器４１０と、Ｄ／Ａ変換器４２０と、ポテンシオ・スタット４３０と、Ａ／Ｄ変換器４４０と、演算記憶装置４５０から構成される。
【００７４】
デジタル関数発生器４１０は、ポテンシオ・スタット４３０の対極２０３に印加すべき電圧パターンをデジタル値により発生させる。このデジタル関数発生器４１０は、通常のカウンタと同様の回路で実現される。タイミング制御信号に同期して、電圧値を刻々と変動させる。Ｄ／Ａ変換器４２０は、デジタル関数発生器４１０で発生したデジタル関数をアナログ信号に変換してポテンシオ・スタット４３０に出力する。これにより、デジタル関数発生器４１０で発生した時々刻々と変化する電圧パターンがポテンシオ・スタット４３０にアナログ出力される。これらデジタル関数発生器４１０及びＤ／Ａ変換器４２０により、ポテンシオ・スタット４３０内でのサイクリックボルタンメトリが実現する。
【００７５】
ポテンシオ・スタット４３０は、Ｄ／Ａ変換器４２０からのアナログ電圧パターン波形に基づき対極２０３に電圧を印加し、これにより対極２０３及び検出極２０１間で発生した酸化電流を検出してＡ／Ｄ変換器４４０に出力する。より具体的には、ポテンシオ・スタット４３０の対極２０３には補償器４３１が接続されており、この補償器４３１は、Ｄ／Ａ変換器４２０からのアナログ電圧パターン信号に対して参照極２０２で得られた検出電圧信号を負帰還させた信号を増幅し対極２０３に出力する。参照極２０２で得られた検出電圧は電圧フォロア増幅器４３２の非反転入力端子に接続され、反転入力端子がデジタル関数発生器４１０の出力に負帰還される。これにより、デジタル関数発生器４１０で発生した電圧パターンに、参照極２０２の検出電圧をフィードバックさせ、対極２０３の電圧を制御することができる。
【００７６】
セル１３の検出極２０１は、トランス・インピーダンス増幅器４３３の反転入力端子に接続されている。トランス・インピーダンス増幅器４３３の非反転入力端子は接地され、その出力端子はＡ／Ｄ変換器４４０に接続されている。この検出極２０１から得られた信号はトランス・インピーダンス増幅器４３３により電流／電圧変換され、Ａ／Ｄ変換器４４０に出力される。Ａ／Ｄ変換器４４０は、ポテンシオ・スタット４３０の検出極２０１から得られた電気化学信号をＡ／Ｄ変換して演算記憶装置４５０に出力する。このＡ／Ｄ変換器４４０の変換動作はタイミング制御信号に同期して逐次実行されるため、演算記憶装置４５０には逐次検出データが出力される。
【００７７】
演算記憶装置４５０は、制御信号やグローバル命令バス３３から与えられた命令信号に基づき、デジタル関数発生器４１０、Ｄ／Ａ変換器４２０及びＡ／Ｄ変換器４４０にタイミング制御信号を出力してこれら回路の測定タイミングを制御する。また、グローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４により演算記憶装置４５０に指示されることによりこのプローブモジュール３１内での測定が行われ、測定の結果得られたデータはグローバルデータバス３５を介して外部の他のモジュールやインタフェース回路４１などに出力される。
【００７８】
また、演算記憶装置４５０はポテンシオ・スタット４３０による測定以外に、ピーク検出操作、平均操作、減算操作、判定演算などの各種演算処理を実行する。この演算処理に必要なデータは、他のプローブモジュール３１やネガティブコントロールモジュール３２からグローバルデータバス３５を介して取得する。また、演算記憶装置４５０には、リセットや割込などの強制的な制御信号やタイミングを指示する信号が制御信号としてインタフェース回路４１から入力される。また、演算記憶装置４５０は、演算記憶装置４５０内の内部状態を外部に示すフラグ信号をインタフェース回路４１に出力する。
【００７９】
この図５に示す演算記憶装置４５０による測定動作（ｓ２）の詳細なフローを図６を用いて説明する。
【００８０】
演算記憶装置４５０で生成されたタイミング制御信号がデジタル関数発生器４１０に出力されると、デジタル関数発生器４１０はポテンシオ・スタット４３０へ入力する電圧のデジタル値をインクリメントする（ｓ２１）。これにより、ポテンシオ・スタット４３０の対極２０３に入力される電圧は大きくなる。この入力電圧が変わった時のセル１３内の対極２０３及び検出極２０１の間の酸化電流は、検出極２０１で検出され、トランス・インピーダンス増幅器４３３で電流電圧変換された後（ｓ２２）、Ａ／Ｄ変換器４４０に出力される。Ａ／Ｄ変換器４４０は、電圧に変換された測定信号をデジタル値に変換して（ｓ２３）演算記憶装置４５０に出力する。演算記憶装置４５０は、入力されたデジタル値とすでに格納されているピーク値を比較し、大きな方の値をピーク値として抽出する（ｓ２４）。この段階で測定が終了していなければ、さらに（ｓ２１）に戻り入力電圧をインクリメントさせたデジタル値を取得し、ピーク値の抽出までを繰り返し行う。これにより、段階的に増分する電圧波形を発生させることができ、サイクリックボルタンメトリが実現できる。測定が終了と判定された場合、ピーク値を格納し（ｓ２６）、測定動作を終了する。
【００８１】
図７は図５の演算記憶装置４５０の詳細な構成の一例を示すブロック図である。図７に示すように、演算記憶装置４５０は、ローカル制御デコーダ５１と、算術論理演算回路５２（ALU: Arithmetic and Logic Unit）と、汎用レジスタ５３と、結果格納専用レジスタ５４と、ローカルバスＲ１、Ｒ２及びＷからなる。
【００８２】
演算記憶装置４５０の一般的な機能について説明する。
【００８３】
この演算記憶装置４５０は、ピーク検出操作、平均操作、減算操作、判定演算を実行することができる。
【００８４】
ローカル制御デコーダ５１は、グローバルアドレスバス３４のアドレスをデコードする。デコードされたアドレスが、そのローカル制御デコーダ５１を含む個別の演算記憶装置４５のアドレスを指定するものである場合に、グローバル命令バス３３で指定された命令をデコードしてその命令に対応する制御信号を算術論理演算回路５２並びにバスを制御するための信号をローカルバスＲ１、Ｒ２、Ｗ等に出力する。これにより、算術論理演算回路５２の算術論理演算が制御され、デコードされた命令が演算記憶装置４５で逐次実行される。より具体的には、ローカル制御デコーダ５１は、例えば図６，８，９で示される各ステップのシーケンスを算術論理演算回路５２を制御することにより逐次自動実行する。また、ローカル制御デコーダ５１は、デジタル関数発生器４１０、Ｄ／Ａ変換器４２０及びＡ／Ｄ変換器４４０の動作タイミングを制御するためのタイミング制御信号を外部に出力する。さらに、ローカル制御デコーダ５１は、算術論理演算回路５２からの出力に基づき、算術論理演算回路５２の演算処理後の状態を示すフラグ信号を出力する。
【００８５】
このローカル制御デコーダ５１は、一般的な論理メモリ、レジスト等により構成され、制御手順を表す信号列を出力する。より具体的には、ローカル制御デコーダ５１は、マイクロプログラムカウンタやマイクロプログラムメモリなどにより構成され、マイクロプログラミング等を実現できる。
【００８６】
算術論理演算回路５２は、読み出し専用のローカルバスＲ１及びＲ２の２つのデータに基づき算術演算や論理演算を行い、演算結果をローカル制御デコーダ５１及び書き込み専用のローカルバスＷに送出する。
【００８７】
汎用レジスタ５３は、算術論理演算回路５２の演算結果などの任意のデータを書き込み専用のローカルバスＷを介して格納するとともに、格納されたデータをローカルバスＲ１及びＲ２に読み出し可能に送出する。
【００８８】
結果格納専用レジスタ５４は、算術論理演算回路５２の演算結果や、Ａ／Ｄ変換器４４０の出力データ（測定データ）を書き込み専用のローカルバスＷを介して格納するとともに、格納されたデータをローカルバスＲ１及びＲ２に読み出し可能に送出する。
【００８９】
グローバルデータバス３５からのデータは、ローカルバスＲ２に読み出し可能に出力される。また、Ａ／Ｄ変換器４４０の出力データは、ローカルバスＷに書き込み可能に送出される。
【００９０】
なお、ローカルバスＲ１、Ｒ２及びＷを用いて算術論理演算回路５２、汎用レジスタ５３及び結果格納専用レジスタ５４間のデータの授受を行う例を示したが、このローカルバスＲ１、Ｒ２及びＷに置換して算術論理演算回路５２、汎用レジスタ５３及び結果格納専用レジスタ５４からアクセス可能なセレクタを配置してもよい。このセレクタが読み出しデータ及び書き込みデータを選択して各構成との間でデータを授受することにより、データ制御が比較的容易になる。
【００９１】
また、図７では説明の便宜のため汎用レジスタ５３及び結果格納専用レジスタ５４が１つずつ設けられている場合を示したが、格納するデータの種類やデータのビット数に応じて複数設けられていてもよい。
【００９２】
算術論理演算回路５２は実行されるデータ処理の種類等によりその装置構成を種々変更できるが、回路規模を縮小するため、実装される機能を加算、減算、右シフト、ロード、ストア命令に限るのが望ましい。もちろん、他の四則演算や論理演算を行う命令を実行するように実装されてもよい。実行可能な命令数を限定することにより算術論理演算回路５２の回路規模を縮小することができ、使用ゲート数を少なくすることができる。もちろん、ローカル制御デコーダ５１、汎用レジスタ５３及び結果格納専用レジスタ５４も同様に回路規模を縮小することにより同様の効果が得られる。
【００９３】
このようにゲート数を少なくし、またその動作周波数を低く抑えて用いることにより、局所的な発熱を時間的に平坦化させることができる。その結果、セル１３内における酸化電流の検出条件に与える発熱の影響を低減することができる。
【００９４】
次に、この図７に示す演算記憶装置４５０を用いた各工程の詳細な動作について説明する。
【００９５】
図６のフローにおける（ｓ２４）のピーク値の算出の詳細について図８のフローチャートを例に説明する。このピーク値算出の例として、図７の汎用レジスタ５３を４つ配置した場合について説明する。４つの汎用レジスタ５３の各々のアドレスを＃０、＃１、＃２及び＃３とする。＃０の汎用レジスタ５３は現時点の測定データの格納、＃１は前回の測定データの格納、＃２は現データの前データに対する増分データの格納、＃３はピークの候補データの格納に用いられるとする。
【００９６】
まず、ｉ番目に測定された測定データを＃０の汎用レジスタ５３に格納する（ｓ２４１）。次に、算術論理演算回路５２は、前回までの測定データを＃１の汎用レジスタ５３から、現在の測定データを＃０の汎用レジスタ５３からローカルバスＲ１、Ｒ２を用いて読み出し、＃０のデータから＃１のデータを減算し、得られた差分値を＃２の汎用レジスタ５３にローカルバスＷを介して格納する（ｓ２４２）。
【００９７】
次に、現時点の前の時点のデータを１つシフトさせるため、＃１の汎用レジスタ５３の格納値に＃０のデータを代入する（ｓ２４３）。次に、算術論理演算回路５２は、＃２のデータが負か否かを判定し（ｓ２４４）、負であれば＃３のデータが＃０のデータより小さいか否かを判定する（ｓ２４５）。＃２のデータが負でなければ、測定データは小さくなっているため、ピーク値が測定データから抽出されることは無いと考えられるため、＃３のデータを更新することなくｉ＝ｉ＋１として、ｉ＋１番目の測定データについて（ｓ２４１）〜（ｓ２４４）の処理を繰り返す。
【００９８】
＃３のデータが＃０のデータより小さくない場合、抽出されているピーク値に対して現時点の測定データが等しいか、あるいは小さいため、ピーク値の更新は無いと考えられるため、＃３のデータを更新することなくｉ＝ｉ＋１として、ｉ＋１番目の測定データについて（ｓ２４１）〜（ｓ２４４）の処理を繰り返す。＃３のデータが＃０のデータよりも小さい場合、現時点の測定データにより＃３のピーク値を更新すべく、＃３の汎用レジスタ５３に＃０のデータを代入する。
【００９９】
このようなピーク値検出処理を入力電圧をインクリメントさせた分だけ繰り返し行い、その都度測定が終了しているか否かを判定し（ｓ２４７）、終了であれば、＃３の汎用レジスタ５３に一時格納している仮のピーク値が専用レジスタ５４に代入され、最終的なピーク値として格納される（ｓ２４８）。なお、（ｓ２４７）に示される測定終了か否かの判定は、（ｓ２４４）や（ｓ２４４）でＮＯに進んだ場合にもあわせて行ってもよい。
【０１００】
次に、図４の（ｓ３）で示した平均操作の詳細なフローを図９のフローチャートに沿って説明する。
【０１０１】
図９に示すように、まず平均を求めるための分母として、標本のすべての値を加算するため、平均をとるための測定データをその平均値算出を行うプローブモジュール３１以外のモジュールから２ｎ−１個グローバルデータバス３５、ローカルバスＲ２を介して汎用レジスタ５３に格納し、各測定データを算術論理演算回路５２を用いて加算するとともに、その平均値算出を行うプローブモジュール３１で得られた測定データを加算し（ｓ３１）、その加算結果を汎用レジスタ５３に格納する（ｓ３２）。次に、算術論理演算回路５２は、汎用レジスタ５３から加算結果をローカルバスＲ１あるいはＲ２を介して取得し、ｎ桁右シフト演算を行う。この右シフト演算により、加算結果がｎで割った値が得られる。そして、得られた演算結果は結果格納専用レジスタ５４に格納される（ｓ３４）。このような演算制御は、例えばマイクロプログラミングやステートマシンを用いて容易に実現可能である。
【０１０２】
なお、この平均値算出は、各プローブモジュール３１１〜３１ｎのうちの複数のモジュールから得られる測定データの平均値を算出する例を示したが、ネガティブコントロールモジュール３２が複数ある場合にも全く同様に適用できる。
【０１０３】
また、１つのプローブモジュール３１に複数の検出極２０１が対応している場合には、その１つのプローブモジュール３１内に格納された複数の測定データの平均値を得る動作に上述した処理を適用できることはもちろんである。
【０１０４】
次に、図４の（ｓ４）で示したモジュール間減算処理について、図１０のフローチャートを例に説明する。ネガティブコントロールモジュール３２からの測定データ（減算データ）がグローバルデータバス３５に送出される（ｓ４１）。図３のデコーダ４２は、グローバル制御回路４３を参照しつつ、プローブモジュール３１１〜３１ｎのうち減算が実行されるモジュールをアドレスバスにより指定する（ｓ４２）。次に、プローブモジュール３１１〜３１ｎのうちアドレスが指定されたモジュールは、アドレスデコードを行い（ｓ４３）、汎用レジスタ５３に減算データを格納する（ｓ４４）。そして、汎用レジスタ５３の減算データと他の汎用レジスタ５３のそのプローブモジュール３１に格納されていた平均値データなどの測定データを算術論理演算回路５２が読み出し（ｓ４５）、プローブのデータからネガティブコントロールのデータを減算する減算が実行され（ｓ４６）、減算結果は専用レジスタ５４に格納される（ｓ４７）。
【０１０５】
次に、図４の（ｓ６）で示した読み出し処理について、図１１のフローチャートを例に説明する。図３のデコーダ４２は、データ読み出しの対象とするモジュールを３１１〜３１ｎ及び３２から選択し、そのモジュールをアドレス指定する（ｓ６１）。モジュール３１１〜３１ｎ及び３２のうちアドレス指定されたモジュールは、判定結果や減算結果、ピーク値、平均値などの解析データをグローバルデータバス３５に送出する（ｓ６２）。グローバルデータバス３５に送出されたデータは、インタフェース回路４１を介してコンピュータ１に出力される（ｓ６３）。
【０１０６】
なお、以上に示したローカル制御デコーダ５１の演算はほんの一例にすぎず、種々変更することができる。例えば、（ｓ２４）のピーク検出操作をデジタルフィルタにより行ってもよい。
【０１０７】
また、ピーク検出の後に減算処理を行う例として示したが、インクリメントされた入力電圧の各々に対応して減算処理を行い、その減算結果に対してピーク検出を行ってもよい。
【０１０８】
また、プローブモジュール３１とネガティブコントロールモジュール３２の減算をデジタル値同士で行う場合を示したが、アナログ値のままで行ってもよい。また、プローブモジュール３１やネガティブコントロールモジュール３２の例えばＡ／Ｄ変換器４４０の前後あるいは演算記憶装置４５０内にセレクタを設け、またその１つのモジュール３１あるいは３２に複数の検出極２０１あるいは対照極２０４を設け、セレクタが複数の電極からの信号を切り替えて演算を行うようにしてもよい。
【０１０９】
また、回路規模縮小のため、算術論理演算回路５２を、全加算器やレジスタ等の複数の回路が直列接続された直列式回路により構成してもよい。
【０１１０】
これらは電極数、チップ面積、回路規模、発熱量などの境界条件により適当な構成を採用するのが望ましい。演算の並列性があまり求められない場合には、検出された電気化学信号のＡ／Ｄ変換のみを行い汎用レジスタ５３に格納し、塩基配列解析チップ２に１つ設けた計算処理ユニットを使い、シリアルに前述の各種演算を行う方法も考えられる。ここでいう計算処理ユニットは、図３でいうデコーダ４２及びグローバル制御回路４３などが該当する。
【０１１１】
以上説明したように本実施形態によれば、検出極と対照極の信号の差を並列に効率的に算出することができる。また、複数の電極から検出されたデータの平均値を効率的に算出することができる。また、ピーク電流値の検出や判定操作も並列に効率的に実行され得る。また、測定を一貫して自動処理することができる。また、デジタルデータによりデータを取り出すことができるため、外部半導体素子からのデータの利用が効率的に行える。従って、本チップ２を汎用的な遺伝子解析装置部品として利用することができる。また、Ａ／Ｄ変換をチップ２上で行うことにより、外部由来の雑音の影響を低減することが可能である。さらには、１チップにセンサ、測定及び解析回路を設けることにより、センサが設けられた基板とは別に測定及び解析回路を設けた場合に生じるようなチップ間の信号伝播中に発生する電気的なノイズを低減することができる。
【０１１２】
前述の図５に示したプローブモジュール３１の変形例を図１２に示す。図５のプローブモジュール３１はこの図１２に示すプローブモジュール３１’で置換することができる。
【０１１３】
図１２に示すように、プローブモジュール３１’は、複数の検出極系２１と、デコード／制御回路７０１と、ポテンシオ・スタット７０２と、電流／電圧変換回路７０３と、Ａ／Ｄ変換器７０４と、ピーク抽出回路７０５と、セレクタ７０６と、レジスタ７０７と、ＮＣ（ネガティブコントロール）レジスタ７０８と、セレクタ７０９と、差分器７１０から構成される。ポテンシオ・スタット７０２は複数の検出極系２１に対して１つ設けられている。ポテンシオ・スタット７０２、電流／電圧変換回路７０３、Ａ／Ｄ変換器７０４及びピーク抽出回路７０５は同数設けられている。また、レジスタ７０７は検出極系２１と同数設けられている。図１２では、検出極系２１が４つ設けられ、この３４つの検出極系２１からの４つの電流を２つのポテンシオ・スタット７０２が検出する構成となっている。従って、１つのポテンシオ・スタット７０２が２つの検出極系２１からの電流を取得する。電流値の切替はポテンシオ・スタット７０２に設けられたセレクタにより行われる。
【０１１４】
デコード／制御回路７０１は、デコーダ４２からのグローバル命令バス３３、グローバルアドレスバス３４及び制御信号に基づき、ポテンシオ・スタット７０２、セレクタ７０６及びセレクタ７０９の動作を制御する。
【０１１５】
ポテンシオ・スタット７０２は、デコード／制御回路７０１の制御の下、対応する検出極系２１の対極２０３に電圧を印加するとともに、検出極２０１から酸化電流信号を検出する。検出された酸化電流信号は、電流／電圧変換回路７０３により電圧変換されＡ／Ｄ変換器７０４に出力され、デジタル信号に変換されてピーク抽出回路７０５に出力される。ピーク抽出回路７０５のピーク抽出処理は前述した（ｓ２４）の手法と共通する処理を行うので詳細は省略する。得られたピーク抽出値はデコード／制御回路７０１及びセレクタ７０６に出力される。
【０１１６】
デコード／制御回路７０１は、ピーク抽出回路７０５からのピーク抽出値の入力に応答してセレクタ７０６及びセレクタ７０９の動作を制御する。セレクタ７０６は、逐次入力される各検出極系２１についてのピーク抽出値を複数のレジスタ７０７のうちのいずれかを選択して出力する。図１２の例では、セレクタ７０６は差分器７１０のフィードバック信号と、ピーク抽出回路７０５からの信号の３つの入力に基づき出力信号を４つのレジスタ７０７に対して選択して出力する。いずれのレジスタ７０７に格納するかは、デコード／制御回路７０１からのアドレス信号及び命令信号により指定される。
【０１１７】
複数のレジスタ７０７は、検出極系２１毎にピーク抽出値をそれぞれ格納する。
【０１１８】
減算を行う場合、セレクタ７０９は、ＮＣレジスタ７０８に外部から入力されたピーク抽出値を第１の出力とし、複数のレジスタ７０７のいずれかのピーク抽出値を選択して第２の出力とする。セレクタ７０９は、レジスタ７０７からの４つの入力とＮＣレジスタ７０８からの１つの入力から２つの出力信号を選択する回路である。いずれの２つの信号を出力するかは、デコード／制御回路７０１からのアドレス信号及び命令信号により指定される。
【０１１９】
差分器７１０は、プローブからのピーク抽出値からネガティブコントロールからのピーク抽出値を減算し、演算結果をセレクタ７０６に出力する。セレクタ７０６は、入力された演算結果を検出極系２１毎に対応するレジスタ７０７に格納する。これにより、各検出極系２１についての演算結果がレジスタ７０７に保持される。
【０１２０】
セレクタ７０９は、このレジスタ７０７に保持された演算結果を選択してデータ出力としてグローバルデータバス３５に送出する。これにより、演算結果がプローブモジュール３１’から外部にデータ送出される。
【０１２１】
これにより、検出極２０１から検出された電気化学信号に対して電流電圧変換、Ａ／Ｄ変換、ピーク抽出、減算を経たデータを取得することができる。
【０１２２】
さらに判定を行う場合には、セレクタ７０６及び７０９の制御手順をデコード／制御回路７０１が変更して制御信号をセレクタ７０６及び７０９に出力することにより簡便に実現できる。
【０１２３】
例えば各検出極系２１毎に得られた演算結果（減算結果）を比較し、検体溶液に含まれるＤＮＡの塩基配列を特定する場合、セレクタ７０９はレジスタ７０７に格納された比較の対照とすべき２つの演算結果を差分器７１０に出力する。差分器７１０は、この２つの演算結果を減算して差分値を出力する。この差分値の正負を判定することにより、塩基配列を特定することができる。差分値の正負あるいは差分値の正負の判定結果をセレクタ７０９からデータ出力することにより、コンピュータ１で塩基配列の判定結果を確認することができる。
【０１２４】
本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【０１２５】
図２は、複数の検出極系２１１〜２１ｎに対して１つの対照極系２２を配置する例を示したが、これに限定されない。例えば、図１３に示すように、検出極系２１１〜２１ｎの各々に対照極系２２１〜２２ｎを対応してその近傍に配置してもよい。また、図１３に示す例で、検出極系２１１〜２１ｎとこれに対応する対照極系２２１〜２２ｎを統合し、検出極２０１、参照極２０２、対極２０３及び対照極２０４からなる１つの電極系としてもよい。この場合、図３のネガティブコントロールモジュール３２内の各種回路は各プローブモジュール３１１〜３１ｎ内に配置される。この場合、検出極２０１からの信号と対照極２０４からの信号を選択する信号切替のためのセレクタ等の回路を配置しておけば、各モジュール３１１〜３１ｎ内部で電流測定、平均値算出、減算などの処理を並列に行うことができる。これにより、プローブモジュールで得られるデータからネガティブコントロールで得られるデータを減算する際に、各検出極２０１近傍の電解液の状態等の測定条件の相違を反映させることができる。
【０１２６】
また、この図１３の例では、各検出極系２１１〜２１ｎと各対照極系２２１〜２２ｎの各々に対応してプローブモジュールあるいはネガティブコントロールモジュールが配置される。この場合、各プローブモジュールと各ネガティブコントロールモジュールは１つの共通するグローバルデータバス３５により接続される。
【０１２７】
対照極系２２１〜２２ｎの各々で得られるデータについて、実空間における位置依存性を試験して、それらの平均値を算出する場合、この共通するグローバルデータバス３５によるシリアルなデータ転送及び平均値算出手法のほかに、各対照極系２２１〜２２ｎに対応するネガティブコントロールモジュール同士を専用の通信線で接続してもよい。これにより、各対照極２０４で得られたデータを並列に授受できるため、データを授受するための信号線が増加するが、データ授受に必要な時間が短縮される。その結果、平均値算出処理に要する時間を短縮することができる。
【０１２８】
図３の例では、各プローブモジュール３１１〜３１ｎとネガティブコントロールモジュール３２が１つの共通のグローバルデータバス３５に接続されているが、これに限定されるものではない。ネガティブコントロールモジュール３２と各プローブモジュール３１１〜３１ｎの各々を並列に接続する専用の通信線を設けてもよい。
【０１２９】
また、図４では、電流測定、平均操作、減算操作、判定演算の順に処理する例を示したが、ほんの一例にすぎない。コンピュータ１からデコーダ４２に入力する制御信号の制御手順を変更するのみで、これら各処理の順番を代えて実行することができる。また、必ずしも判定演算を必要は無く、減算操作を行った減算結果をコンピュータ１に出力する塩基配列解析チップとしても成立する。
【０１３０】
また、図３、図５、図７及び図１２では、バスを介して各モジュールを接続する場合を示したが、これに限定されない。例えば、各モジュールを並列接続する。そして、複数のモジュールで同時に処理を実行させる場合、それらモジュールを制御するデコーダ等の制御部からブロードキャスト方式により命令や制御信号を送出してもよい。
【０１３１】
また、上述の実施形態では一塩基多型の型判定に用いる場合を示したが、他の目的にも本装置を利用可能である。
【０１３２】
例えば、遺伝子発現解析を行う場合、発現の予想される複数の転写産物を検出するためのプローブ群を各々同一基板上に固定化し、検出極として用いる。これら検出極と１つの対照極を用い、各検出極及び対照極の測定を同時に行う。これにより、遺伝子発現解析にも本装置を利用可能である。もちろん、測定の同時性が要求するその他の解析目的にも本装置を利用することはもちろんである。
【０１３３】
【実施例】
本実施例では、塩基配列検出センサと測定・演算回路を同一基板上に一体集積したＤＮＡチップを用いる。これにより、実現可能性が大幅に向上し、ＤＮＡチップの測定における時間差の問題を解決可能である。なお、この実施例では、１つのプローブモジュール３１は１つの検出極２０１を備え、１つのネガティブコントロールモジュール３２は１つの対照極２０４を備える。ただし、１つのプローブモジュール３１に複数の検出極２０１を備えた場合、１つのネガティブコントロールモジュール３２に複数の対照極２０４を備えた場合であっても本発明を適用可能である。
【０１３４】
実施例の構成を以下に３種類示す。
【０１３５】
（Ａ）ネガティブコントロールモジュール３２が１つあるいは１系列、すなわち複数のモジュールの集合が塩基配列解析チップ２上に設けられた構成。各プローブモジュール３１及びネガティブコントロールモジュール３２における測定は、一斉に行われなければならない。この系を用いた場合、測定後の検出極同士の比較は任意の組合せに対して行うことができる。
【０１３６】
（Ｂ）複数のプローブモジュール３１と１つのネガティブコントロールモジュール３２を組み合わせた処理単位を塩基配列解析チップ２上に複数設けた構成。電極における測定は、少なくとも処理単位毎で同時に行われればよい。この解析系を用いてプローブ同士の比較、平均等を後処理として行うときは、その比較や平均等の処理の対象に含まれるプローブの組は同じ処理単位に属する。
【０１３７】
（Ｃ）１つのプローブモジュール３１に対し専用のネガティブコントロールモジュール３２を割り当てる一対一対応した電極対を配置する構成。少なくとも各電極対毎に同時に測定が行われる。この解析系を用いてプローブ同士の比較、平均等を後処理として行うときは、その比較や平均等の処理の対象に含まれるプローブの組は同時に測定を行う。
【０１３８】
これら（Ａ）〜（Ｃ）に示すモジュールの概念図を図１４に示す。図１４（ａ）は実施例（Ａ）の図、図１４（ｂ）は実施例（Ｂ）の図、図１４（Ｃ）は実施例（Ｃ）の図である。
【０１３９】
図１４（ａ）に示すように、実施例（Ａ）は、１つのネガティブコントロールモジュール３２と、ｎ個のプローブモジュール３１からなる電極構造が用いられる。
【０１４０】
図１４（ｂ）に示すように、実施例（Ｂ）は、アドレス＃０〜＃ｎ−１のネガティブコントロールモジュール３２と、これら複数のネガティブコントロールモジュール３２の各々に対応付けられた複数のプローブモジュール３１が配置されている。
【０１４１】
図１４（ｃ）に示すように、実施例（Ｃ）は、アドレス＃０〜＃ｎ−１のｎ個のネガティブコントロールモジュール３２と、このネガティブコントロールモジュール３２の各々に１：１で対応したアドレス＃０〜＃ｎ−１のｎ個のプローブモジュール３１が配置されている。
【０１４２】
前述の通り、電気化学測定においてはアナログデータ取得、アナログ／デジタル変換、ピーク判定の３つの行為を繰り返し行う。プローブモジュール３１同士の比較は一連の測定動作が終了した後実行されるのに対し、ネガティブコントロールモジュール３２と各プローブモジュール３１の比較すなわち減算は、（１ａ）アナログデータ取得後アナログ演算により行う。（２ａ）Ａ／Ｄ変換後にディジタル的に行う。（３ａ）それぞれの電極におけるピークデータを取得した後行う、という３種類が考えられる。（１ａ）については、対照極２０４と検出極２０１が対となっている図１４（ｃ）の場合に特に適用の実現性が有る。それ以外はどの場合でも適用可能である。
【０１４３】
作業のタイミングチャートを図１５〜図１７に示す。図中「測定＋ｎ．ｃ．減算」と記載されているタイミングは、アナログデータ取得、Ａ／Ｄ変換、ピーク判定の一連の操作の途中で（１ａ）あるいは（２ａ）のいずれかの方法によりネガティブコントロール側とプローブ側からの信号間の減算を行う操作を示す。（３ａ）の方法によりネガティブコントロールモジュール３２とプローブモジュール３１との間の差を求める場合には、通常のプローブ間の比較と同様に、随時計算を行うことなる。より詳細には、「測定」には、端子で電流信号を検出し、電流／電圧変換し、Ａ／Ｄ変換し、ピーク抽出し、平均値操作する工程の少なくとも１つを含む。また、「比較」は、モジュール間のデータの比較を行うことにより例えば塩基配列を決定するための判定を行う工程に対応する。
【０１４４】
ただし、（１ａ）、（２ａ）、（３ａ）の選択は、ピーク値検出の精度によって好ましいものが決定される。通常、電気分解を用いた遺伝子解析装置による測定を行う場合、電気分解測定の代表値となるピーク電流値を与えるポテンシオスタット部の入力電圧は、電極を浸漬する挿入剤に対して固有に決定される。よって、ピークを検出する前に検出極と対照極の減算を行っても、ピーク検出の後に減算を行っても、同一の結果が得られる。実際の測定では、ピークを与える入力電圧にばらつきが出る場合がある。このばらつきが大きい場合、ピーク検出を行った後に減算を行う（３ａ）の方法で行うことが有効である。逆にばらつきが無視できるほど小さい場合、（１ａ）、（２ａ）、（３ａ）のうち計算負荷、消費電力、トランジスタを配置できるチップ面積などの要素を加味して最適なものを選べば良い。したがって、たとえば図１２は（３ａ）の方式であるが、ほんの一例に過ぎず、実施形態としても図１２の構成に限定されるものではない。
【０１４５】
図１５に示すように、実施例（Ａ）の場合、ネガティブコントロールモジュール３２とプローブモジュール３１のすべてにおいて同時に測定及びｎ．ｃ．減算が行われる必要がある。ｎ．ｃ．減算の工程では、ネガティブコントロールモジュール３２は各プローブモジュール３１に対して減算データを送出し、各プローブモジュール３１はこの減算データを取得し、予め測定しておいた測定データをこの減算データで減算する工程を実行する。減算終了後、任意の２つのプローブモジュール３１同士で塩基配列決定のための比較がなされる。比較は、すべてのプローブモジュール３１で測定後の同じタイミングで並列に行われてもよいし、図１５に示すようにシリアルに行われ、逐次コンピュータ１に比較結果を示すデータが送出されるようにしてもよい。
【０１４６】
図１６に示すように、実施例（Ｂ）の場合、互いに減算の対象となる１つの処理単位（図１６の例では４つのプローブモジュールと１つのネガティブコントロールモジュール）毎に、測定及びｎ．ｃ．減算が行われなければならないが、他の処理単位とは同時である必要は無い。また、各処理単位の中のプローブモジュール同士の任意の組合せについて図１５の場合と同じ比較工程が実行される。１つの処理単位について見れば、図１５の例と同じ測定動作となる。
【０１４７】
図１７に示すように、実施例（Ｃ）の場合、１組のネガティブコントロールモジュール３２とプローブモジュール３１は同時に測定及びｎ．ｃ．減算が行われる。図１７では、各モジュールの対について別個のタイミングで測定及びｎ．ｃ．減算が行われる場合を示したが、これに限定されない。特に、プローブモジュール３１同士で平均や比較などの工程を実行する場合、その平均や比較などの処理の対象となるプローブモジュール３１同士は同じタイミングで測定がなされる。
【０１４８】
ハードウェアの構成として測定と減算を行うことの可能なユニットを多数設けることにより、図１５〜図１７の測定及び対照極の測定をさらに同時多並列に行うことが可能となる。この場合、測定ブロック間の条件の同一性をさらに高めることができる。
【０１４９】
サイクリックボルタンメトリにより１．０Ｖの電圧範囲を１００ｍＶ／ｓで掃引する場合、１０秒かかることとなる。１００個のプローブ電極を使用する場合、本システムを用いずに直列に測定を行ったとすると、全測定時間は１０００秒となる。実験データから、この間に１０ｎＡ程度の差異がヘキストの吸着量の違いによって発生する可能性が有ることが分かる。本システムでは測定の同時性を高めることにより、このような誤差を排除した測定が可能である。
【０１５０】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、自動で精度の高い塩基配列の検出及び解析を行うことができる塩基配列解析チップが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る塩基配列解析装置の一例を示す図。
【図２】同実施形態に係る塩基配列検出チップ表面に設けられた電極構造の一例を示す図。
【図３】同実施形態に係る塩基配列解析チップの回路構成の一例のブロック図。
【図４】同実施形態に係る塩基配列解析チップを用いた電気化学信号検出及び検出データの解析処理のフローチャートの一例を示す図。
【図５】同実施形態に係るプローブモジュールの詳細な構成の一例を示すブロック図。
【図６】同実施形態に係る演算記憶装置による測定動作（ｓ２）の詳細なフローを示す図。
【図７】同実施形態に係る演算記憶装置の詳細な構成の一例を示すブロック図。
【図８】同実施形態に係るピーク値の算出のフローチャートを示す図。
【図９】同実施形態に係る平均操作の詳細なフローチャートを示す図。
【図１０】同実施形態に係るモジュール間減算処理のフローチャートを示す図。
【図１１】同実施形態に係る読み出し処理のフローチャートを示す図。
【図１２】同実施形態に係るプローブモジュールの変形例を示す図。
【図１３】同実施形態に係る電極構造の変形例を示す図。
【図１４】同実施形態に係るモジュールの概念図。
【図１５】同実施形態に係るモジュールのタイミングチャートを示す図。
【図１６】同実施形態に係るモジュールのタイミングチャートを示す図。
【図１７】同実施形態に係るモジュールのタイミングチャートを示す図。
【図１８】セル内の酸化電流と挿入剤浸漬時間の関係を示す図。
【符号の説明】
１…コンピュータ
２…塩基配列解析チップ
１１…基板
１２…電極
１３…セル
２１…検出極系
２２…対照極系
２０１…検出極
２０２，２０５…参照極
２０３，２０６…対極
２０４…対照極
３１１〜３１ｎ…プローブモジュール
３２…ネガティブコントロールモジュール
３３…グローバル命令バス
３４…グローバルアドレスバス
３５…グローバルデータバス
４１…インタフェース回路
４２…デコーダ
４３…グローバル制御回路
５１…ローカル制御デコーダ
５２…算術論理演算回路
５３…汎用レジスタ
５４…結果格納専用レジスタ
４１０…デジタル関数発生器
４２０…Ｄ／Ａ変換器
４３０…ポテンシオ・スタット
４４０…Ａ／Ｄ変換器
４５０…演算記憶装置
７０１…デコード／制御回路
７０２…ポテンシオ・スタット
７０３…Ｉ／Ｖ変換回路
７０４…Ａ／Ｄ変換器
７０５…ピーク抽出回路
７０６，７０９…セレクタ
７０７，７０８…レジスタ
７１０…差分器
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動処理により塩基配列の検出及び解析を行う塩基配列解析チップ及び塩基配列解析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電流検出型ＤＮＡチップにおいては，挿入剤と呼ばれる、ＤＮＡの２本鎖に選択的に吸着し電気分解における酸化電流を発生する化学物質が用いられる。すなわち、プローブとターゲットのハイブリダイゼーションが終了した後、電極を挿入剤に浸漬し、この電極を通して挿入剤の酸化電流を検出することにより、ターゲット吸着の有無を判定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の電流検出型ＤＮＡチップでは、２つの問題があった。第一は、ターゲットとプローブの結合に由来する信号以外の電流がプローブを固定した電極（以下検出極と称する）で検出されてしまうことであり、第二は挿入剤吸着量の時間依存性ならびに挿入剤自体の劣化が測定に与える影響である。
【０００４】
本来、挿入剤はＤＮＡの２本鎖に選択的に吸着する。しかし、実際には検出極近傍では２本鎖以外の部分にも挿入剤が吸着されてしまうため、この吸着部位から信号が発生し、測定信号に重畳する。これが第一の問題である。この第１の問題に関しては，検体中のＤＮＡの存在の有無に無関係な信号を検知する専用の電極(以下対照極と称する)を設け、この電極とプローブから得られる信号の差から本来検出すべき信号を得なければならない。
【０００５】
ここで挿入剤の吸着量は，飽和するまでに一定の時間を要する。また、挿入剤の特性は時間経過と共に劣化する。この現象は、測定の方法によって２つの電極から得られる信号の差に影響を与える可能性が有る。すなわち、対となる電極間の条件が異なる。特に、挿入剤で電極の浸漬を開始した時刻から目的の電極の測定を開始する時刻までの間に挿入剤吸着量が累積する、あるいは挿入剤の劣化が起こるなどし，本来同一の条件で測定を行うべき電極の対で条件の不一致が生ずることとなる。これが第二の問題である。
【０００６】
図１８はセル１３内の酸化電流と挿入剤浸漬時間の関係を示す図である。この図から分かるように、浸漬時間により酸化電流は大きくばらつくといえる。
【０００７】
この第二の問題は，検出極と対照極との比較に限らず、プローブ同士を比較する際にも問題となる．たとえば、ヒト遺伝子の一塩基多型のひとつとして知られるＭｘＡ８８についてＧ−Ｇホモ型、Ｔ−Ｔホモ型、Ｇ−Ｔへテロ型のいずれであるかを判定しようとする場合、プローブにＧ型とＴ型を用い，両者から得られる信号の差異を検定しなければならない。このため、Ｇ型検出用プローブ、Ｔ型検出用プローブ、ＧＴ型検出用プローブの各々が同一の条件で測定されることが測定精度を高めるのに必須である。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、自動処理により高精度で塩基配列の検出及び解析を行う塩基配列解析チップ及び塩基配列解析装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の一の観点によれば、基板と、前記基板上に形成され、検出の対象とする標的塩基配列とは相補的な塩基配列を有するプローブが固定化される複数の検出極と、前記基板上に形成され、前記標的塩基配列と相補的な塩基配列を有するプローブが固定化されていない対照極と、前記基板に形成され、前記複数の検出極の電気化学信号を測定する第１測定部と、前記基板に形成され、前記対照極の電気化学信号を測定する第２測定部と、前記基板に形成され、第１測定部の第１測定値から第２測定部の第２測定値を減算する減算部と、前記基板外部からの信号に基づき、第１測定部及び第２測定部の測定を同時に制御し、かつ減算部の減算を制御する制御部とを具備し、
前記複数の検出極は、少なくとも２つの検出極からなる検出極群の集合からなり、前記対照極は、少なくとも２つの対照極からなる対照極群の集合からなり、第１測定部は前記複数の検出極群の各々に対して１つずつ複数設けられ、第２測定部は前記複数の対照極群の各々に対して１つずつ複数設けられ、前記制御部は、前記複数の第１測定部の測定を同時に制御し、且つ前記複数の第２測定部の測定を同時に制御する塩基配列解析チップが提供される。
この発明の別の一の観点によれば、基板と、前記基板上に形成され、検出の対象とする標的塩基配列とは相補的な塩基配列を有するプローブが固定化される複数の検出極と、前記基板上に形成され、前記標的塩基配列と相補的な塩基配列を有するプローブが固定化されていない対照極と、前記基板に形成され、前記複数の検出極の電気化学信号を測定する第１測定部と、前記基板に形成され、前記対照極の電気化学信号を測定する第２測定部と、前記基板に形成され、第１測定部の第１測定値から第２測定部の第２測定値を減算する減算部と、前記基板外部からの信号に基づき、第１測定部及び第２測定部の測定を同時に制御し、かつ減算部の減算を制御する制御部とを具備し、前記対照極は複数設けられ、第１測定部は複数の検出極の各々に対して１つずつ複数設けられ、第２測定部は複数の対照極の各々に対して１つずつ複数設けられてなり、前記制御部は、複数の第１測定部及び複数の第２測定部の各々の測定を同時に制御する塩基配列解析チップが提供される。
【００１２】
また、装置に係る本発明は、その装置により実現される方法の発明としても成立する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態を説明する。
【００１４】
図１は本発明の一実施形態に係る塩基配列解析装置の一例を示す図である。図１に示すように、コンピュータ１と、このコンピュータ１に電気的に接続された塩基配列解析チップ２から構成される。
【００１５】
塩基配列解析チップ２は、コンピュータ１からの命令に基づき、チップ上に形成された電極からの電気化学信号を検出し、その検出信号の電流電圧変換、ＡＤ変換、平均値算出等の信号処理、減算、塩基配列判定等を行い、得られた判定結果等のデータをコンピュータ１に出力する。
【００１６】
この塩基配列解析チップ２は、半導体やガラス等からなる基板１１上に形成されたＴｉ及びＡｕ等の積層構造からなる電極１２と、この基板１１に形成された電流電圧変換回路、ＡＤ変換回路、信号処理回路、減算回路やこれら回路の動作制御を行う制御回路などの周辺回路が半導体微細加工技術を用いて形成されている。また、各電極１２上には、試料や薬液などを収容し、これら試料や薬液と電極１２上のプローブとの電気化学反応を生じさせるセル１３が設けられている。
【００１７】
周辺回路の形成は、基板１１に予めこれら回路を形成するために必要なゲート数に対応する論理ゲートに、論理設計に基づく回路配線を半導体微細加工技術を用いて形成することにより実現可能である。もちろんゲートアレイに限らず、他のカスタムＩＣ開発工程により形成されてもよい。図１の例では、塩基配列解析チップ２の全面に電極１２及びセル１３が配置される場合を示したが、その一部の領域に配置し、他の領域には周辺回路が形成されるようにしてもよい。
【００１８】
以下の実施形態では、検出の目的とするＤＮＡの塩基配列を標的塩基配列と呼ぶ。そして、この標的塩基配列と相補的であり、この標的塩基配列と選択的に反応する塩基配列を標的相補塩配列と呼ぶ。この標的相補塩基配列を含むＤＮＡプローブが塩基配列解析チップ２の検出極に固定化される。塩基配列解析チップ２のセル１３内に導入される試料（検体溶液）には、検査の対象となるＤＮＡ等の塩基配列を有する物質が含まれている。この検査の対象となるＤＮＡの塩基配列を検体塩基配列と呼ぶ。
【００１９】
標的塩基配列とプローブの塩基配列が相補的であるとは、標的核酸配列中の連続する部分塩基配列がプローブの塩基配列に対し５０％〜１００％の相補性を持つことを指す。より好ましくは、１００％の相補性を持つことを指す。なお、相補性を示す指標は、比較する全塩基配列に対し比較対象の二者間で一致する塩基数の割合を示す。
【００２０】
この実施形態の塩基配列解析チップ２は、この検体塩基配列と固定化プローブの標的相補塩基配列をセル１３内でハイブリダイゼーションさせ、その反応の有無を挿入剤導入後にモニタリングすることにより、試料中に標的塩基配列が含まれているか否かを判別するチップである。
【００２１】
図２は塩基配列解析チップ２表面に設けられた電極構造の一例を示す図である。図２に示すように、検出極２０１、参照極２０２、対極２０３が１つずつ設けられた検出極系２１１〜２１ｎがｎ個、対照極２０４、参照極２０５、対極２０６が１つずつ設けられた対照極系２２が１個配置されている。複数の検出極系２１１〜２１ｎに対して１つの対照極系２２が対応して設けられている。これら検出極系２１１〜２１ｎや対照極系２２などの電極系、すなわち検出極２０１、参照極２０２及び対極２０３の３電極の組合せや、対照極２０４と、参照極２０５及び対極２０６の３電極の組合せに対してポテンシオ・スタットなどの３電極測定回路が接続され、各電極系２１，２２において電気化学測定信号が得られる。
【００２２】
検出極２０１及び対照極２０４は、セル２３内の反応電流を検出するための電極である。検出極２０１には、標的塩基配列とは相補的な標的相補塩基配列を有するＤＮＡプローブが固定化される。
【００２３】
対照極２０４は、検出しようとする標的のＤＮＡとプローブＤＮＡのハイブリダイズに由来する電流以外の電流であるバックグラウンド電流を検出し、後にバックグラウンド電流を検出極２０１で検出される電流から差し引くことによりバックグラウンド電流の重畳の影響を無くするための電極である。対照極２０４は、標的塩基配列と相補的でなく、標的塩基配列とハイブリダイゼーション反応を生じさせないような塩基配列を有するプローブが固定化されるか、あるいはプローブが固定化されずに利用される。
【００２４】
対極２０３及び２０６は、検出極２０１あるいは対照極２０４との間に所定の電圧を印加してセル２３内に電流を供給する電極である。
【００２５】
参照極２０２及び２０５は、参照極２０２と検出極２０１の間の電圧を所定の電圧特性に制御すべく、その電極電圧を対極２０３あるいは２０６に負帰還させる電極である。この参照極２０２及び２０５により、対極２０３あるいは２０６による電圧が制御され、セル２３内の各種検出条件に左右されない精度の高い酸化電流検出が行える。
【００２６】
図２に示した電極配置は本発明の特徴を説明するための一例にすぎず、その電極配置、電極の対応関係などを種々変更することができる。例えば、参照極２０２及び２０５は、各検出極系２１１〜２１ｎ及び対照極系２２に共通の１つの参照極とし、この１つの参照極と複数の検出極２０１及び対照極２０４を対応させて用いてもよい。また、検出極系２１１及び２１２については、ある１つの参照極を対応させ、検出極系２１３及び２１４については別の１つの参照極を対応させ、…というように、複数の検出極系に１つの参照極を対応させて配置してもよい。また、対極２０３及び２０６についても参照極と同じような変更が可能であり、複数の検出極２０１や対照極２０４について１つの対極２０３や２０６を共有して用いたりすることができる。また、１つの電極系２１あるいは２２に複数の検出極２０１あるいは複数の対照極２０４を配置してもよい。このように、複数の検出極２０１や対照極２０４に対して１つの参照極や１つの対極を対応させてもよい。
【００２７】
図２の実現形態では，１種類のプローブに対して1つの検出極が設けられ、ネガティブコントロール１つに対して１つの対照極が設けられた場合を示した。この実施形態は、１つの電極による各測定の信頼性が充分である場合には有効である。実際の測定では、溶液の均一性など，何らかの要因で測定結果に揺らぎが生ずる場合がある。この揺らぎを補償するため、プローブ及びネガティブコントロール共に，同種の電極を複数個用い、これら複数の電極の平均を取ることが有効である。
【００２８】
図３は塩基配列解析チップ２の回路構成の一例のブロック図である。
【００２９】
プローブモジュール３１１〜３１ｎは、検出極系２１１〜２１ｎに対応する構成である。ネガティブコントロールモジュール３２は１つ設けられている場合を示しているが、対照極系２２が複数設けられる場合には、その各々に対して１つずつ対応して設けられる。
【００３０】
プローブモジュール３１１〜３１ｎはそれぞれ検出極系２１１〜２１ｎを有し、セル１３内において検出極２０１から得られる電気化学信号の検出を行うセンサとしての機能と、そのセンスした電気化学信号の信号処理やデータ解析等の機能が一体化された回路である。
【００３１】
ネガティブコントロールモジュール３２は、対照極系２２を有し、セル１３内において対照極２０４から得られる電気化学信号の検出を行うセンサとしての機能と、そのセンスした電気化学信号の信号処理やデータ解析等の機能が一体化された回路である。
【００３２】
この塩基配列解析チップ２は、検出極２０１や対照極２０４で得られる電流を検出する電流検出型チップである。電流検出型チップの場合、検出極２０１と対照極２０４で得られるデータを比較しつつデータ解析を行うが、この図１の例では、これら２つの異なる機能を持つ電極を別々のモジュールとして実装する形態で実現されている。
【００３３】
これらプローブモジュール３１１〜３１ｎ及びネガティブコントロールモジュール３２は、それぞれ共通のグローバル命令バス３３、グローバルアドレスバス３４及びグローバルデータバス３５に接続されている。
【００３４】
コンピュータ１とのデータの入出力制御を行うインタフェース回路４１がコンピュータ１と例えば外部端子により信号線を介して接続されている。このインタフェース回路４１がコンピュータ１から受信した信号はデコーダ４２に出力される。デコーダ４２は、受信信号に基づきグローバル制御回路４３を参照して生成される制御手順に基づきプローブモジュール３１１〜３１ｎ及びネガティブコントロールモジュール３２を制御する。より具体的には、デコーダ４２は、生成された制御手順に基づきグローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４にグローバル命令信号及びグローバルアドレス信号を出力する。グローバルアドレス信号によりアドレス指定されたプローブモジュール３１１〜３１ｎ又はネガティブコントロールモジュール３２は、グローバル命令信号により指定された命令を実行し、得られたデータをグローバルデータバス３５に出力する。インタフェース回路４１は、グローバルデータバス３５のデータをコンピュータ１に出力する。
【００３５】
また、ネガティブコントロールモジュール３２における処理結果は、各プローブモジュール３１１〜３１ｎでの減算や比較に用いられる。従って、グローバルデータバス３５を介してネガティブコントロールモジュール３２からプローブモジュール３１１〜３１ｎの各々にデータが出力される。
【００３６】
処理を実行するモジュールの指定と実行する処理の種類は、デコーダ４２から各モジュール３１１〜３１ｎ及び３２に対してグローバルアドレスバス３４及びグローバル命令バス３３により与えられる。
【００３７】
一例として、各プローブモジュール３１１〜３１ｎで得られるデータをネガティブコントロールモジュール３２から得られるデータで減算する場合を想定する。この場合、各プローブモジュール３１１〜３１ｎで同時に酸化電流測定を行った後、ネガティブコントロールモジュール３２から得られるデータをグローバルデータバス３５を介して各プローブモジュール３１１〜３１ｎに送出する。各プローブモジュール３１１〜３１ｎでは、グローバルデータバス３５からネガティブコントロールのデータを取得し、減算する。従って、減算も各プローブモジュール３１１〜３１ｎで同時に行われる。なお、グローバルバス３３〜３５はすべてのモジュール３１１〜３１ｎ及び３２に共通の信号線となっているため、実際にはネガティブコントロールモジュール３２から各プローブモジュール３１１〜３１ｎに順次データが転送され、同時に減算が開始する。
【００３８】
塩基配列解析チップ２に外部から入力される命令信号の種類は、例えば（１）停止（２）無操作（３）測定開始（４）データ読み出し（５）ネガティブコントロールモジュール内減算（６）平均（７）モジュール内減算（８）モジュール間減算（９）リセットの９種類がある。この（１）〜（９）の命令信号は、命令コードとアドレスコードの組合せからなり、これらにより各構成要素に命令を与えることができる。
【００３９】
また、この９種類の信号に加えて、制御信号として（１０）ハードウェアリセット信号（１１）操作開始信号（１２）操作停止信号等を備える。これら（１）〜（１２）示した信号はコンピュータ１からインタフェース回路４１に入力され、バスを介さずに制御対象に直接入力され、制御対象のハードウェアを直接制御する。
【００４０】
塩基配列解析チップ２から外部に出力される信号としては、（１）データ（２）測定異常フラグ（３）操作終了フラグ等を備える。測定異常フラグや操作終了フラグなどのフラグは、演算記憶装置４５０の内部状態を外部に示すためのビットである。
【００４１】
デコーダ４２は、（１）〜（９）に示される命令に対応するグローバル命令信号、グローバルアドレス信号をグローバル制御回路４３から取得し、グローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４に出力する。
【００４２】
チップ外部、すなわちコンピュータ１から塩基配列解析チップ２を利用する場合、逐次コンピュータ１と通信しながら上述した（１）〜（９）に示される命令を１命令ずつ実行する逐次実行方式と、プログラムメモリ領域、プログラムカウンタ、計算手順を制御する論理回路を塩基配列解析チップ２内のいずれかの箇所に１つ配置し、チップ２内に処理手順を書き込み自動処理するプログラム実行方式が考えられる。
【００４３】
このプログラム実行方式の場合、（１）〜（９）に加えて、プログラムメモリへの書き込み命令を追加すればよい。プログラムメモリ領域、プログラムカウンタ及び論理回路は、例えばグローバル制御回路４３に実装するのが望ましい。なお、プログラムメモリ領域に書き込まれる処理手順は、塩基配列解析チップ２の機能や検出極２０１に固定化されるプローブの種類や数、電極数などの設計条件により異なる。従って、コンピュータ１は、チップ機能情報に基づきプログラムメモリ領域に書き込まれる処理手順を生成するユーティリティプログラムを備えるのが望ましい。これにより、いかなる機能及び構成を有する塩基配列解析チップ２においても自動処理が実現可能である。
【００４４】
この図３に示す塩基配列解析チップ２を用いた電気化学信号検出及び検出データの解析処理のフローチャートの一例を図４に示す。
【００４５】
まず、検出極２０１に標的塩基配列とは相補的な標的相補塩基配列を有するＤＮＡプローブを固定化した後、セル１３に試料を充填して所定の温度に保持する。これにより、ＤＮＡプローブが試料内の検体ＤＮＡとハイブリダイゼーション反応を生じる（ｓ１）。
【００４６】
次に、緩衝液でＤＮＡプローブ及びセル１３内を洗浄した後、セル１３内に挿入剤充填する。この挿入剤が導入された状態で測定を行う（ｓ２）。
【００４７】
この測定工程では、まずコンピュータ１からの測定開始信号をインタフェース回路４１がデコーダ４２に出力する。デコーダ４２は、測定開始信号を受け、その命令に対応するグローバル命令及びグローバルアドレスを取得し、グローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４に送出する。
【００４８】
この測定は各モジュール３１１〜３１ｎ及び３２で同時に行うため、これらすべてのモジュールのアドレスが指定される。プローブモジュール３１１〜３１ｎ及びネガティブコントロールモジュール３２は、このグローバルアドレスが指定されたグローバル命令を受け、測定を開始する。得られた測定データは各３１１〜３１ｎ及び３２にそれぞれ格納される。
【００４９】
より具体的に同時測定の原理を説明する。
【００５０】
測定を各モジュール３１ １ 〜３１ ｎ 及び３２で同時に行うため、デコーダ４２及びグローバル制御回路４３からなる制御部がこの同時性を制御する。グローバル制御回路４３は、測定を開始すべきモジュールのアドレスを生成する。生成されたアドレスは、専用の通信線により各モジュールに伝達される。この信号は、各モジュール内部で後述するローカル制御デコーダ５１等によりデコードされる。このデコードの結果、モジュールに同時に伝達された測定命令を実行するか否かが決定される。アドレス専用の通信線は、図３のようなバス方式で実現できる。この場合、測定を開始するアドレスはこの制御部によりグローバルアドレスバス３４に書き込まれ、各モジュール３１１〜３１ｎ及び３２で読み込まれる。
【００５１】
また、アドレスを示すコードを一斉にブロードキャスト可能なグローバル通信線を用いてもよい。
【００５２】
なお、同時測定を行うためにグローバルアドレスバス３４に書き込まれるアドレスを示すコードは、例えば３種類設定できる。具体的には、個別のモジュールを１つずつ指定するコード、複数のモジュールのうちの２以上の一部のモジュールを指定するコード、全モジュールを指定するコードである。一部のモジュールを指定するコードとしては、例えば同一あるいは同一種類の塩基配列を有するプローブ同士を指定するコードが考えられる。
【００５３】
これら３種類のコードが一斉に各モジュール３１１〜３１ｎ及び３２でデコードされ、指定されたモジュールは同時に測定を開始することができる。このアドレスを示すコードをデコードする操作を以下、アドレスデコードと呼ぶ。
【００５４】
個別のモジュールを指定するアドレスコードしか仕様に含めない場合、グローバル制御回路４３によるアドレスの生成は、同時に測定すべきモジュールのアドレスを逐次発生するようになる。これに応じて、指定されたモジュールが逐次測定を開始することにより、ある有限の時間のずれの範囲内でほぼ同時の測定が実現される。
【００５５】
逐次実行方式の場合、測定開始信号がコンピュータ１から入力されてから測定データが格納されるまで、コンピュータ１は逐次測定の詳細工程を実行するのに必要な各種命令をデコーダ４２に出力する。デコーダ４２はこれら各種命令をグローバル制御回路４３を参照してデコードしグローバル命令バス３３にグローバル命令信号を、グローバルアドレスバス３４にグローバルアドレス信号を送出する。以下、コンピュータ１による塩基配列解析チップ２の制御が終了するまで同様の動作が繰り返される。
【００５６】
次に、コンピュータ１は、平均信号をデコーダ４２に出力する。デコーダ４２は、この平均信号に基づき平均値算出を行うためのグローバル命令信号及びグローバルアドレス信号をプローブモジュール３１１〜３１ｎに対してグローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４を介して送出する。これにより、プローブモジュール３１１〜３１ｎは平均値算出処理を実行する（ｓ３）。
【００５７】
平均値算出は、各プローブモジュール３１１〜３１ｎで得られた測定データの平均値を算出する処理である。この平均値算出処理は、第１の算出手法として例えば１つの特定のプローブモジュール３１に他のプローブモジュール３１から測定データをグローバルデータバス３５を介して転送し、その特定の１つのプローブモジュール３１が取得したすべてのプローブモジュール３１についての平均値を算出し、得られた平均値データをグローバルデータバス３５を介してまた他のすべてのプローブモジュール３１に出力することにより実行可能である。他にも、第２の算出手法として、所定の数のプローブモジュール３１の組合せについて平均値を算出し、さらにその平均値同士に基づきさらに代表するプローブモジュール３１で平均値を算出するという工程を繰り返すことにより平均値を算出することもできる。
【００５８】
また、すべてのプローブモジュール３１１〜３１ｎの平均値を算出する必要はなく、検出極２０１に固定化されるＤＮＡプローブの種類などに応じて特定の種類のプローブモジュール３１同士の平均値を算出するようにしてもよい。例えばプローブモジュール３１１〜３１４が第１の塩基配列を有するプローブが固定化され、プローブモジュール３１５〜３１８には第２の塩基配列を有するプローブが固定化されている場合、プローブモジュール３１１〜３１４についての平均値を算出し、これとは別にプローブモジュール３１５〜３１８についての平均値を算出するように設定することができる。これにより、プローブの種類毎の平均値を算出することができる。
【００５９】
なお、図３に示す例では、ネガティブコントロールモジュール３２は１つのみ設けられている場合を示しているのでネガティブコントロール側での平均値算出を行う必要が無い。ネガティブコントロールモジュール３２が複数設けられている場合には、各ネガティブコントロールモジュール３２に対してプローブモジュール３１１〜３１ｎに対してしたのと同じ平均値算出を行う制御信号を出力する。
【００６０】
また、図３の例では、各プローブモジュール３１１〜３１ｎにはそれぞれ１つずつ検出極２０１が配置されている場合を示したため、プローブ間の平均値算出を行う例を示したが、各モジュールに複数の検出極２０１が配置されている場合、その複数の検出極２０１から得られる測定データの平均値をとることもできる。この場合、他のモジュールにデータを転送する必要が無い。
【００６１】
次に、コンピュータ１は、モジュール間減算信号をデコーダ４２に出力する。デコーダ４２は、このモジュール間減算信号に基づきデコーダ４２はモジュール間減算を行うためのグローバル命令信号及びグローバルアドレス信号をプローブモジュール３１１〜３１ｎ及びネガティブコントロールモジュール３２に対してグローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４介して送出する。これにより、プローブモジュー３１１〜３１ｎ及びネガティブコントロールモジュール３２はモジュール間減算処理を実行する（ｓ４）。
【００６２】
このモジュール間減算処理は、各プローブモジュール３１１〜３１ｎで得られた平均値データから、ネガティブコントロールモジュール３２で得られた測定データを減算する処理である。ネガティブコントロールモジュール３２が複数設けられている場合には、各ネガティブコントロールモジュール３２の各々の平均値データでプローブの平均値データを減算する。
【００６３】
具体的には、デコーダ４２は、ネガティブコントロールモジュール３２に対してグローバルデータバス３５への測定データ（あるいは平均値データ）送出を命令する第１の処理と、各プローブモジュール３１１〜３１ｎに対してこの送出された測定データの取得を命令する第２の処理と、モジュール内の平均値に対する取得した測定データの減算処理を命令する第３の処理からなる。
【００６４】
プローブモジュール３１１〜３１ｎがプローブの種別毎に平均値が算出されている場合、そのプローブの種別毎に平均値からネガティブコントロールモジュール３２からの測定データを減算する。この場合、すべてのプローブモジュール３１１〜３１ｎについて減算を行う必要は無く、プローブの種別毎に１つずつ代表するプローブモジュール３１１〜３１ｎのいずれかが減算を行えば足りる。もちろん、すべてのプローブモジュール３１１〜３１ｎが減算を行ってもよい。得られた減算値データは各プローブモジュール３１１〜３１ｎに格納される。
【００６５】
次に、コンピュータ１は、判定を行うための信号をデコーダ４２に出力する。この判定を行うための信号は、前述の（１）〜（９）をシーケンシャルに組み合わせることにより生成される。この判定を行うための信号に基づき、デコーダ４２は判定を行うためのグローバル命令信号及びグローバルアドレス信号をプローブモジュール３１１〜３１ｎに対してグローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４介して送出する。また、判定処理の内容によっては、ネガティブコントロールモジュール３２に対しても同様のグローバル命令信号及びグローバルアドレス信号を出力する。これにより、プローブモジュール３１１〜３１ｎやネガティブコントロールモジュール３２は判定演算処理を実行する（ｓ５）。
【００６６】
判定演算処理の一例としては、一塩基多型のＳＮＰ位置の塩基配列決定のための判定演算処理がある。この判定演算処理の場合、検出しようとする少なくとも２種類の型の候補を標的塩基配列として設定する。そして、その２つの標的塩基配列にそれぞれ相補的な第１のＤＮＡプローブと、この第１のＤＮＡプローブとＳＮＰ位置の塩基が異なる第２のＤＮＡプローブを、検出極２０１に固定化しておく。そして、各ＤＮＡプローブの種類毎に得られた減算値データをプローブモジュール３１１〜３１ｎ内で比較し、値が大きい方のＤＮＡプローブの塩基配列と相補的な塩基配列の型であると判定する。判定結果を示すデータはプローブモジュール３１１〜３１ｎ内に格納される。もちろん、比較する各ＤＮＡプローブの種類に対して１つずつ判定結果が得られればよいため、その判定を行う以外のモジュールでは判定処理を行う必要が無い。
【００６７】
なお、第１のＤＮＡプローブが固定化された検出極２０１と、第２のＤＮＡプローブが固定化された検出極２０１から得られた信号強度を比較する際に、本実施形態では、第１のＤＮＡプローブと第２のＤＮＡプローブの他にいずれの標的塩基配列も検出しない（すなわちハイブリダイゼーションを生じない）ネガティブコントロールが固定化された対照極２０４が配置される。対照極２０４では、遺伝子の検出とは無関係な信号成分が検出される。これら３つの電極を用いて型判定を行う場合、最終的には第１のＤＮＡプローブと第２のＤＮＡプローブから得られた信号強度を比較し、その信号強度の差や信号強度の比を基に判定結果を得ることになる。その信号強度の比較に先立ち、対照極２０４から得られた信号を第１のＤＮＡプローブ及び第２のＤＮＡプローブの各々について検出極２０１から得られた信号から減算しておく。この減算により、ＤＮＡの検出に関わる正味の信号の比較が可能となる。
【００６８】
第１及び第２のＤＮＡプローブ及びネガティブコントロールに対応する３つの電極で行われる測定が同時に行われることにより、測定時刻によって観測される電流値が変動する影響を排除した比較が可能となる。
【００６９】
ここで、電解質の均一性の不一致による影響を避けるべく、検出極２０１と対照極２０４は同一基板上に設けられていることが望ましい。さらに望ましくは、これら検出極２０１と対照極２０４は空間的に近接している。
【００７０】
次に、コンピュータ１は、データ読み出し信号をインタフェース回路４１を介してデコーダ４２に出力する。デコーダ４２は、このデータ読み出し信号に基づきデータ読み出しを行うためのグローバル命令信号及びグローバルアドレス信号をプローブモジュール３１１〜３１ｎに対してグローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４介して送出する。これにより、プローブモジュール３１１〜３１ｎは判定結果を示すデータをグローバルデータバス３５に送出する（ｓ６）。判定結果以外にも、減算値、平均値など他の解析データもあわせて送出してもよい。グローバルデータバス３５に送出されたデータはインタフェース回路４１を介してコンピュータ１に出力される。コンピュータ１は、取得したデータを例えば表示装置に出力する。
【００７１】
以上により塩基配列解析動作が終了する。
【００７２】
図５は各プローブモジュール３１１〜３１ｎの詳細な構成の一例を示すブロック図である。各モジュール３１１〜３１ｎは同じ構成であり、そのうちの１つのモジュールについて代表して図５で説明される。また、プローブモジュール３１とネガティブコントロールモジュール３２は、検出極２０１と対照極２０４の構成の相違以外は共通する構成である。
【００７３】
プローブモジュール３１は、デジタル関数発生器４１０と、Ｄ／Ａ変換器４２０と、ポテンシオ・スタット４３０と、Ａ／Ｄ変換器４４０と、演算記憶装置４５０から構成される。
【００７４】
デジタル関数発生器４１０は、ポテンシオ・スタット４３０の対極２０３に印加すべき電圧パターンをデジタル値により発生させる。このデジタル関数発生器４１０は、通常のカウンタと同様の回路で実現される。タイミング制御信号に同期して、電圧値を刻々と変動させる。Ｄ／Ａ変換器４２０は、デジタル関数発生器４１０で発生したデジタル関数をアナログ信号に変換してポテンシオ・スタット４３０に出力する。これにより、デジタル関数発生器４１０で発生した時々刻々と変化する電圧パターンがポテンシオ・スタット４３０にアナログ出力される。これらデジタル関数発生器４１０及びＤ／Ａ変換器４２０により、ポテンシオ・スタット４３０内でのサイクリックボルタンメトリが実現する。
【００７５】
ポテンシオ・スタット４３０は、Ｄ／Ａ変換器４２０からのアナログ電圧パターン波形に基づき対極２０３に電圧を印加し、これにより対極２０３及び検出極２０１間で発生した酸化電流を検出してＡ／Ｄ変換器４４０に出力する。より具体的には、ポテンシオ・スタット４３０の対極２０３には補償器４３１が接続されており、この補償器４３１は、Ｄ／Ａ変換器４２０からのアナログ電圧パターン信号に対して参照極２０２で得られた検出電圧信号を負帰還させた信号を増幅し対極２０３に出力する。参照極２０２で得られた検出電圧は電圧フォロア増幅器４３２の非反転入力端子に接続され、反転入力端子がデジタル関数発生器４１０の出力に負帰還される。これにより、デジタル関数発生器４１０で発生した電圧パターンに、参照極２０２の検出電圧をフィードバックさせ、対極２０３の電圧を制御することができる。
【００７６】
セル１３の検出極２０１は、トランス・インピーダンス増幅器４３３の反転入力端子に接続されている。トランス・インピーダンス増幅器４３３の非反転入力端子は接地され、その出力端子はＡ／Ｄ変換器４４０に接続されている。この検出極２０１から得られた信号はトランス・インピーダンス増幅器４３３により電流／電圧変換され、Ａ／Ｄ変換器４４０に出力される。Ａ／Ｄ変換器４４０は、ポテンシオ・スタット４３０の検出極２０１から得られた電気化学信号をＡ／Ｄ変換して演算記憶装置４５０に出力する。このＡ／Ｄ変換器４４０の変換動作はタイミング制御信号に同期して逐次実行されるため、演算記憶装置４５０には逐次検出データが出力される。
【００７７】
演算記憶装置４５０は、制御信号やグローバル命令バス３３から与えられた命令信号に基づき、デジタル関数発生器４１０、Ｄ／Ａ変換器４２０及びＡ／Ｄ変換器４４０にタイミング制御信号を出力してこれら回路の測定タイミングを制御する。また、グローバル命令バス３３及びグローバルアドレスバス３４により演算記憶装置４５０に指示されることによりこのプローブモジュール３１内での測定が行われ、測定の結果得られたデータはグローバルデータバス３５を介して外部の他のモジュールやインタフェース回路４１などに出力される。
【００７８】
また、演算記憶装置４５０はポテンシオ・スタット４３０による測定以外に、ピーク検出操作、平均操作、減算操作、判定演算などの各種演算処理を実行する。この演算処理に必要なデータは、他のプローブモジュール３１やネガティブコントロールモジュール３２からグローバルデータバス３５を介して取得する。また、演算記憶装置４５０には、リセットや割込などの強制的な制御信号やタイミングを指示する信号が制御信号としてインタフェース回路４１から入力される。また、演算記憶装置４５０は、演算記憶装置４５０内の内部状態を外部に示すフラグ信号をインタフェース回路４１に出力する。
【００７９】
この図５に示す演算記憶装置４５０による測定動作（ｓ２）の詳細なフローを図６を用いて説明する。
【００８０】
演算記憶装置４５０で生成されたタイミング制御信号がデジタル関数発生器４１０に出力されると、デジタル関数発生器４１０はポテンシオ・スタット４３０へ入力する電圧のデジタル値をインクリメントする（ｓ２１）。これにより、ポテンシオ・スタット４３０の対極２０３に入力される電圧は大きくなる。この入力電圧が変わった時のセル１３内の対極２０３及び検出極２０１の間の酸化電流は、検出極２０１で検出され、トランス・インピーダンス増幅器４３３で電流電圧変換された後（ｓ２２）、Ａ／Ｄ変換器４４０に出力される。Ａ／Ｄ変換器４４０は、電圧に変換された測定信号をデジタル値に変換して（ｓ２３）演算記憶装置４５０に出力する。演算記憶装置４５０は、入力されたデジタル値とすでに格納されているピーク値を比較し、大きな方の値をピーク値として抽出する（ｓ２４）。この段階で測定が終了していなければ、さらに（ｓ２１）に戻り入力電圧をインクリメントさせたデジタル値を取得し、ピーク値の抽出までを繰り返し行う。これにより、段階的に増分する電圧波形を発生させることができ、サイクリックボルタンメトリが実現できる。測定が終了と判定された場合、ピーク値を格納し（ｓ２６）、測定動作を終了する。
【００８１】
図７は図５の演算記憶装置４５０の詳細な構成の一例を示すブロック図である。図７に示すように、演算記憶装置４５０は、ローカル制御デコーダ５１と、算術論理演算回路５２（ALU: Arithmetic and Logic Unit）と、汎用レジスタ５３と、結果格納専用レジスタ５４と、ローカルバスＲ１、Ｒ２及びＷからなる。
【００８２】
演算記憶装置４５０の一般的な機能について説明する。
【００８３】
この演算記憶装置４５０は、ピーク検出操作、平均操作、減算操作、判定演算を実行することができる。
【００８４】
ローカル制御デコーダ５１は、グローバルアドレスバス３４のアドレスをデコードする。デコードされたアドレスが、そのローカル制御デコーダ５１を含む個別の演算記憶装置４５のアドレスを指定するものである場合に、グローバル命令バス３３で指定された命令をデコードしてその命令に対応する制御信号を算術論理演算回路５２並びにバスを制御するための信号をローカルバスＲ１、Ｒ２、Ｗ等に出力する。これにより、算術論理演算回路５２の算術論理演算が制御され、デコードされた命令が演算記憶装置４５で逐次実行される。より具体的には、ローカル制御デコーダ５１は、例えば図６，８，９で示される各ステップのシーケンスを算術論理演算回路５２を制御することにより逐次自動実行する。また、ローカル制御デコーダ５１は、デジタル関数発生器４１０、Ｄ／Ａ変換器４２０及びＡ／Ｄ変換器４４０の動作タイミングを制御するためのタイミング制御信号を外部に出力する。さらに、ローカル制御デコーダ５１は、算術論理演算回路５２からの出力に基づき、算術論理演算回路５２の演算処理後の状態を示すフラグ信号を出力する。
【００８５】
このローカル制御デコーダ５１は、一般的な論理メモリ、レジスト等により構成され、制御手順を表す信号列を出力する。より具体的には、ローカル制御デコーダ５１は、マイクロプログラムカウンタやマイクロプログラムメモリなどにより構成され、マイクロプログラミング等を実現できる。
【００８６】
算術論理演算回路５２は、読み出し専用のローカルバスＲ１及びＲ２の２つのデータに基づき算術演算や論理演算を行い、演算結果をローカル制御デコーダ５１及び書き込み専用のローカルバスＷに送出する。
【００８７】
汎用レジスタ５３は、算術論理演算回路５２の演算結果などの任意のデータを書き込み専用のローカルバスＷを介して格納するとともに、格納されたデータをローカルバスＲ１及びＲ２に読み出し可能に送出する。
【００８８】
結果格納専用レジスタ５４は、算術論理演算回路５２の演算結果や、Ａ／Ｄ変換器４４０の出力データ（測定データ）を書き込み専用のローカルバスＷを介して格納するとともに、格納されたデータをローカルバスＲ１及びＲ２に読み出し可能に送出する。
【００８９】
グローバルデータバス３５からのデータは、ローカルバスＲ２に読み出し可能に出力される。また、Ａ／Ｄ変換器４４０の出力データは、ローカルバスＷに書き込み可能に送出される。
【００９０】
なお、ローカルバスＲ１、Ｒ２及びＷを用いて算術論理演算回路５２、汎用レジスタ５３及び結果格納専用レジスタ５４間のデータの授受を行う例を示したが、このローカルバスＲ１、Ｒ２及びＷに置換して算術論理演算回路５２、汎用レジスタ５３及び結果格納専用レジスタ５４からアクセス可能なセレクタを配置してもよい。このセレクタが読み出しデータ及び書き込みデータを選択して各構成との間でデータを授受することにより、データ制御が比較的容易になる。
【００９１】
また、図７では説明の便宜のため汎用レジスタ５３及び結果格納専用レジスタ５４が１つずつ設けられている場合を示したが、格納するデータの種類やデータのビット数に応じて複数設けられていてもよい。
【００９２】
算術論理演算回路５２は実行されるデータ処理の種類等によりその装置構成を種々変更できるが、回路規模を縮小するため、実装される機能を加算、減算、右シフト、ロード、ストア命令に限るのが望ましい。もちろん、他の四則演算や論理演算を行う命令を実行するように実装されてもよい。実行可能な命令数を限定することにより算術論理演算回路５２の回路規模を縮小することができ、使用ゲート数を少なくすることができる。もちろん、ローカル制御デコーダ５１、汎用レジスタ５３及び結果格納専用レジスタ５４も同様に回路規模を縮小することにより同様の効果が得られる。
【００９３】
このようにゲート数を少なくし、またその動作周波数を低く抑えて用いることにより、局所的な発熱を時間的に平坦化させることができる。その結果、セル１３内における酸化電流の検出条件に与える発熱の影響を低減することができる。
【００９４】
次に、この図７に示す演算記憶装置４５０を用いた各工程の詳細な動作について説明する。
【００９５】
図６のフローにおける（ｓ２４）のピーク値の算出の詳細について図８のフローチャートを例に説明する。このピーク値算出の例として、図７の汎用レジスタ５３を４つ配置した場合について説明する。４つの汎用レジスタ５３の各々のアドレスを＃０、＃１、＃２及び＃３とする。＃０の汎用レジスタ５３は現時点の測定データの格納、＃１は前回の測定データの格納、＃２は現データの前データに対する増分データの格納、＃３はピークの候補データの格納に用いられるとする。
【００９６】
まず、ｉ番目に測定された測定データを＃０の汎用レジスタ５３に格納する（ｓ２４１）。次に、算術論理演算回路５２は、前回までの測定データを＃１の汎用レジスタ５３から、現在の測定データを＃０の汎用レジスタ５３からローカルバスＲ１、Ｒ２を用いて読み出し、＃０のデータから＃１のデータを減算し、得られた差分値を＃２の汎用レジスタ５３にローカルバスＷを介して格納する（ｓ２４２）。
【００９７】
次に、現時点の前の時点のデータを１つシフトさせるため、＃１の汎用レジスタ５３の格納値に＃０のデータを代入する（ｓ２４３）。次に、算術論理演算回路５２は、＃２のデータが負か否かを判定し（ｓ２４４）、負であれば＃３のデータが＃０のデータより小さいか否かを判定する（ｓ２４５）。＃２のデータが負でなければ、測定データは小さくなっているため、ピーク値が測定データから抽出されることは無いと考えられるため、＃３のデータを更新することなくｉ＝ｉ＋１として、ｉ＋１番目の測定データについて（ｓ２４１）〜（ｓ２４４）の処理を繰り返す。
【００９８】
＃３のデータが＃０のデータより小さくない場合、抽出されているピーク値に対して現時点の測定データが等しいか、あるいは小さいため、ピーク値の更新は無いと考えられるため、＃３のデータを更新することなくｉ＝ｉ＋１として、ｉ＋１番目の測定データについて（ｓ２４１）〜（ｓ２４４）の処理を繰り返す。＃３のデータが＃０のデータよりも小さい場合、現時点の測定データにより＃３のピーク値を更新すべく、＃３の汎用レジスタ５３に＃０のデータを代入する。
【００９９】
このようなピーク値検出処理を入力電圧をインクリメントさせた分だけ繰り返し行い、その都度測定が終了しているか否かを判定し（ｓ２４７）、終了であれば、＃３の汎用レジスタ５３に一時格納している仮のピーク値が専用レジスタ５４に代入され、最終的なピーク値として格納される（ｓ２４８）。なお、（ｓ２４７）に示される測定終了か否かの判定は、（ｓ２４４）や（ｓ２４４）でＮＯに進んだ場合にもあわせて行ってもよい。
【０１００】
次に、図４の（ｓ３）で示した平均操作の詳細なフローを図９のフローチャートに沿って説明する。
【０１０１】
図９に示すように、まず平均を求めるための分母として、標本のすべての値を加算するため、平均をとるための測定データをその平均値算出を行うプローブモジュール３１以外のモジュールから２ｎ−１個グローバルデータバス３５、ローカルバスＲ２を介して汎用レジスタ５３に格納し、各測定データを算術論理演算回路５２を用いて加算するとともに、その平均値算出を行うプローブモジュール３１で得られた測定データを加算し（ｓ３１）、その加算結果を汎用レジスタ５３に格納する（ｓ３２）。次に、算術論理演算回路５２は、汎用レジスタ５３から加算結果をローカルバスＲ１あるいはＲ２を介して取得し、ｎ桁右シフト演算を行う。この右シフト演算により、加算結果がｎで割った値が得られる。そして、得られた演算結果は結果格納専用レジスタ５４に格納される（ｓ３４）。このような演算制御は、例えばマイクロプログラミングやステートマシンを用いて容易に実現可能である。
【０１０２】
なお、この平均値算出は、各プローブモジュール３１１〜３１ｎのうちの複数のモジュールから得られる測定データの平均値を算出する例を示したが、ネガティブコントロールモジュール３２が複数ある場合にも全く同様に適用できる。
【０１０３】
また、１つのプローブモジュール３１に複数の検出極２０１が対応している場合には、その１つのプローブモジュール３１内に格納された複数の測定データの平均値を得る動作に上述した処理を適用できることはもちろんである。
【０１０４】
次に、図４の（ｓ４）で示したモジュール間減算処理について、図１０のフローチャートを例に説明する。ネガティブコントロールモジュール３２からの測定データ（減算データ）がグローバルデータバス３５に送出される（ｓ４１）。図３のデコーダ４２は、グローバル制御回路４３を参照しつつ、プローブモジュール３１１〜３１ｎのうち減算が実行されるモジュールをアドレスバスにより指定する（ｓ４２）。次に、プローブモジュール３１１〜３１ｎのうちアドレスが指定されたモジュールは、アドレスデコードを行い（ｓ４３）、汎用レジスタ５３に減算データを格納する（ｓ４４）。そして、汎用レジスタ５３の減算データと他の汎用レジスタ５３のそのプローブモジュール３１に格納されていた平均値データなどの測定データを算術論理演算回路５２が読み出し（ｓ４５）、プローブのデータからネガティブコントロールのデータを減算する減算が実行され（ｓ４６）、減算結果は専用レジスタ５４に格納される（ｓ４７）。
【０１０５】
次に、図４の（ｓ６）で示した読み出し処理について、図１１のフローチャートを例に説明する。図３のデコーダ４２は、データ読み出しの対象とするモジュールを３１１〜３１ｎ及び３２から選択し、そのモジュールをアドレス指定する（ｓ６１）。モジュール３１１〜３１ｎ及び３２のうちアドレス指定されたモジュールは、判定結果や減算結果、ピーク値、平均値などの解析データをグローバルデータバス３５に送出する（ｓ６２）。グローバルデータバス３５に送出されたデータは、インタフェース回路４１を介してコンピュータ１に出力される（ｓ６３）。
【０１０６】
なお、以上に示したローカル制御デコーダ５１の演算はほんの一例にすぎず、種々変更することができる。例えば、（ｓ２４）のピーク検出操作をデジタルフィルタにより行ってもよい。
【０１０７】
また、ピーク検出の後に減算処理を行う例として示したが、インクリメントされた入力電圧の各々に対応して減算処理を行い、その減算結果に対してピーク検出を行ってもよい。
【０１０８】
また、プローブモジュール３１とネガティブコントロールモジュール３２の減算をデジタル値同士で行う場合を示したが、アナログ値のままで行ってもよい。また、プローブモジュール３１やネガティブコントロールモジュール３２の例えばＡ／Ｄ変換器４４０の前後あるいは演算記憶装置４５０内にセレクタを設け、またその１つのモジュール３１あるいは３２に複数の検出極２０１あるいは対照極２０４を設け、セレクタが複数の電極からの信号を切り替えて演算を行うようにしてもよい。
【０１０９】
また、回路規模縮小のため、算術論理演算回路５２を、全加算器やレジスタ等の複数の回路が直列接続された直列式回路により構成してもよい。
【０１１０】
これらは電極数、チップ面積、回路規模、発熱量などの境界条件により適当な構成を採用するのが望ましい。演算の並列性があまり求められない場合には、検出された電気化学信号のＡ／Ｄ変換のみを行い汎用レジスタ５３に格納し、塩基配列解析チップ２に１つ設けた計算処理ユニットを使い、シリアルに前述の各種演算を行う方法も考えられる。ここでいう計算処理ユニットは、図３でいうデコーダ４２及びグローバル制御回路４３などが該当する。
【０１１１】
以上説明したように本実施形態によれば、検出極と対照極の信号の差を並列に効率的に算出することができる。また、複数の電極から検出されたデータの平均値を効率的に算出することができる。また、ピーク電流値の検出や判定操作も並列に効率的に実行され得る。また、測定を一貫して自動処理することができる。また、デジタルデータによりデータを取り出すことができるため、外部半導体素子からのデータの利用が効率的に行える。従って、本チップ２を汎用的な遺伝子解析装置部品として利用することができる。また、Ａ／Ｄ変換をチップ２上で行うことにより、外部由来の雑音の影響を低減することが可能である。さらには、１チップにセンサ、測定及び解析回路を設けることにより、センサが設けられた基板とは別に測定及び解析回路を設けた場合に生じるようなチップ間の信号伝播中に発生する電気的なノイズを低減することができる。
【０１１２】
前述の図５に示したプローブモジュール３１の変形例を図１２に示す。図５のプローブモジュール３１はこの図１２に示すプローブモジュール３１’で置換することができる。
【０１１３】
図１２に示すように、プローブモジュール３１’は、複数の検出極系２１と、デコード／制御回路７０１と、ポテンシオ・スタット７０２と、電流／電圧変換回路７０３と、Ａ／Ｄ変換器７０４と、ピーク抽出回路７０５と、セレクタ７０６と、レジスタ７０７と、ＮＣ（ネガティブコントロール）レジスタ７０８と、セレクタ７０９と、差分器７１０から構成される。ポテンシオ・スタット７０２は複数の検出極系２１に対して１つ設けられている。ポテンシオ・スタット７０２、電流／電圧変換回路７０３、Ａ／Ｄ変換器７０４及びピーク抽出回路７０５は同数設けられている。また、レジスタ７０７は検出極系２１と同数設けられている。図１２では、検出極系２１が４つ設けられ、この３４つの検出極系２１からの４つの電流を２つのポテンシオ・スタット７０２が検出する構成となっている。従って、１つのポテンシオ・スタット７０２が２つの検出極系２１からの電流を取得する。電流値の切替はポテンシオ・スタット７０２に設けられたセレクタにより行われる。
【０１１４】
デコード／制御回路７０１は、デコーダ４２からのグローバル命令バス３３、グローバルアドレスバス３４及び制御信号に基づき、ポテンシオ・スタット７０２、セレクタ７０６及びセレクタ７０９の動作を制御する。
【０１１５】
ポテンシオ・スタット７０２は、デコード／制御回路７０１の制御の下、対応する検出極系２１の対極２０３に電圧を印加するとともに、検出極２０１から酸化電流信号を検出する。検出された酸化電流信号は、電流／電圧変換回路７０３により電圧変換されＡ／Ｄ変換器７０４に出力され、デジタル信号に変換されてピーク抽出回路７０５に出力される。ピーク抽出回路７０５のピーク抽出処理は前述した（ｓ２４）の手法と共通する処理を行うので詳細は省略する。得られたピーク抽出値はデコード／制御回路７０１及びセレクタ７０６に出力される。
【０１１６】
デコード／制御回路７０１は、ピーク抽出回路７０５からのピーク抽出値の入力に応答してセレクタ７０６及びセレクタ７０９の動作を制御する。セレクタ７０６は、逐次入力される各検出極系２１についてのピーク抽出値を複数のレジスタ７０７のうちのいずれかを選択して出力する。図１２の例では、セレクタ７０６は差分器７１０のフィードバック信号と、ピーク抽出回路７０５からの信号の３つの入力に基づき出力信号を４つのレジスタ７０７に対して選択して出力する。いずれのレジスタ７０７に格納するかは、デコード／制御回路７０１からのアドレス信号及び命令信号により指定される。
【０１１７】
複数のレジスタ７０７は、検出極系２１毎にピーク抽出値をそれぞれ格納する。
【０１１８】
減算を行う場合、セレクタ７０９は、ＮＣレジスタ７０８に外部から入力されたピーク抽出値を第１の出力とし、複数のレジスタ７０７のいずれかのピーク抽出値を選択して第２の出力とする。セレクタ７０９は、レジスタ７０７からの４つの入力とＮＣレジスタ７０８からの１つの入力から２つの出力信号を選択する回路である。いずれの２つの信号を出力するかは、デコード／制御回路７０１からのアドレス信号及び命令信号により指定される。
【０１１９】
差分器７１０は、プローブからのピーク抽出値からネガティブコントロールからのピーク抽出値を減算し、演算結果をセレクタ７０６に出力する。セレクタ７０６は、入力された演算結果を検出極系２１毎に対応するレジスタ７０７に格納する。これにより、各検出極系２１についての演算結果がレジスタ７０７に保持される。
【０１２０】
セレクタ７０９は、このレジスタ７０７に保持された演算結果を選択してデータ出力としてグローバルデータバス３５に送出する。これにより、演算結果がプローブモジュール３１’から外部にデータ送出される。
【０１２１】
これにより、検出極２０１から検出された電気化学信号に対して電流電圧変換、Ａ／Ｄ変換、ピーク抽出、減算を経たデータを取得することができる。
【０１２２】
さらに判定を行う場合には、セレクタ７０６及び７０９の制御手順をデコード／制御回路７０１が変更して制御信号をセレクタ７０６及び７０９に出力することにより簡便に実現できる。
【０１２３】
例えば各検出極系２１毎に得られた演算結果（減算結果）を比較し、検体溶液に含まれるＤＮＡの塩基配列を特定する場合、セレクタ７０９はレジスタ７０７に格納された比較の対照とすべき２つの演算結果を差分器７１０に出力する。差分器７１０は、この２つの演算結果を減算して差分値を出力する。この差分値の正負を判定することにより、塩基配列を特定することができる。差分値の正負あるいは差分値の正負の判定結果をセレクタ７０９からデータ出力することにより、コンピュータ１で塩基配列の判定結果を確認することができる。
【０１２４】
本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【０１２５】
図２は、複数の検出極系２１１〜２１ｎに対して１つの対照極系２２を配置する例を示したが、これに限定されない。例えば、図１３に示すように、検出極系２１１〜２１ｎの各々に対照極系２２１〜２２ｎを対応してその近傍に配置してもよい。また、図１３に示す例で、検出極系２１１〜２１ｎとこれに対応する対照極系２２１〜２２ｎを統合し、検出極２０１、参照極２０２、対極２０３及び対照極２０４からなる１つの電極系としてもよい。この場合、図３のネガティブコントロールモジュール３２内の各種回路は各プローブモジュール３１１〜３１ｎ内に配置される。この場合、検出極２０１からの信号と対照極２０４からの信号を選択する信号切替のためのセレクタ等の回路を配置しておけば、各モジュール３１１〜３１ｎ内部で電流測定、平均値算出、減算などの処理を並列に行うことができる。これにより、プローブモジュールで得られるデータからネガティブコントロールで得られるデータを減算する際に、各検出極２０１近傍の電解液の状態等の測定条件の相違を反映させることができる。
【０１２６】
また、この図１３の例では、各検出極系２１１〜２１ｎと各対照極系２２１〜２２ｎの各々に対応してプローブモジュールあるいはネガティブコントロールモジュールが配置される。この場合、各プローブモジュールと各ネガティブコントロールモジュールは１つの共通するグローバルデータバス３５により接続される。
【０１２７】
対照極系２２１〜２２ｎの各々で得られるデータについて、実空間における位置依存性を試験して、それらの平均値を算出する場合、この共通するグローバルデータバス３５によるシリアルなデータ転送及び平均値算出手法のほかに、各対照極系２２１〜２２ｎに対応するネガティブコントロールモジュール同士を専用の通信線で接続してもよい。これにより、各対照極２０４で得られたデータを並列に授受できるため、データを授受するための信号線が増加するが、データ授受に必要な時間が短縮される。その結果、平均値算出処理に要する時間を短縮することができる。
【０１２８】
図３の例では、各プローブモジュール３１１〜３１ｎとネガティブコントロールモジュール３２が１つの共通のグローバルデータバス３５に接続されているが、これに限定されるものではない。ネガティブコントロールモジュール３２と各プローブモジュール３１１〜３１ｎの各々を並列に接続する専用の通信線を設けてもよい。
【０１２９】
また、図４では、電流測定、平均操作、減算操作、判定演算の順に処理する例を示したが、ほんの一例にすぎない。コンピュータ１からデコーダ４２に入力する制御信号の制御手順を変更するのみで、これら各処理の順番を代えて実行することができる。また、必ずしも判定演算を必要は無く、減算操作を行った減算結果をコンピュータ１に出力する塩基配列解析チップとしても成立する。
【０１３０】
また、図３、図５、図７及び図１２では、バスを介して各モジュールを接続する場合を示したが、これに限定されない。例えば、各モジュールを並列接続する。そして、複数のモジュールで同時に処理を実行させる場合、それらモジュールを制御するデコーダ等の制御部からブロードキャスト方式により命令や制御信号を送出してもよい。
【０１３１】
また、上述の実施形態では一塩基多型の型判定に用いる場合を示したが、他の目的にも本装置を利用可能である。
【０１３２】
例えば、遺伝子発現解析を行う場合、発現の予想される複数の転写産物を検出するためのプローブ群を各々同一基板上に固定化し、検出極として用いる。これら検出極と１つの対照極を用い、各検出極及び対照極の測定を同時に行う。これにより、遺伝子発現解析にも本装置を利用可能である。もちろん、測定の同時性が要求するその他の解析目的にも本装置を利用することはもちろんである。
【０１３３】
【実施例】
本実施例では、塩基配列検出センサと測定・演算回路を同一基板上に一体集積したＤＮＡチップを用いる。これにより、実現可能性が大幅に向上し、ＤＮＡチップの測定における時間差の問題を解決可能である。なお、この実施例では、１つのプローブモジュール３１は１つの検出極２０１を備え、１つのネガティブコントロールモジュール３２は１つの対照極２０４を備える。ただし、１つのプローブモジュール３１に複数の検出極２０１を備えた場合、１つのネガティブコントロールモジュール３２に複数の対照極２０４を備えた場合であっても本発明を適用可能である。
【０１３４】
実施例の構成を以下に３種類示す。
【０１３５】
（Ａ）ネガティブコントロールモジュール３２が１つあるいは１系列、すなわち複数のモジュールの集合が塩基配列解析チップ２上に設けられた構成。各プローブモジュール３１及びネガティブコントロールモジュール３２における測定は、一斉に行われなければならない。この系を用いた場合、測定後の検出極同士の比較は任意の組合せに対して行うことができる。
【０１３６】
（Ｂ）複数のプローブモジュール３１と１つのネガティブコントロールモジュール３２を組み合わせた処理単位を塩基配列解析チップ２上に複数設けた構成。電極における測定は、少なくとも処理単位毎で同時に行われればよい。この解析系を用いてプローブ同士の比較、平均等を後処理として行うときは、その比較や平均等の処理の対象に含まれるプローブの組は同じ処理単位に属する。
【０１３７】
（Ｃ）１つのプローブモジュール３１に対し専用のネガティブコントロールモジュール３２を割り当てる一対一対応した電極対を配置する構成。少なくとも各電極対毎に同時に測定が行われる。この解析系を用いてプローブ同士の比較、平均等を後処理として行うときは、その比較や平均等の処理の対象に含まれるプローブの組は同時に測定を行う。
【０１３８】
これら（Ａ）〜（Ｃ）に示すモジュールの概念図を図１４に示す。図１４（ａ）は実施例（Ａ）の図、図１４（ｂ）は実施例（Ｂ）の図、図１４（Ｃ）は実施例（Ｃ）の図である。
【０１３９】
図１４（ａ）に示すように、実施例（Ａ）は、１つのネガティブコントロールモジュール３２と、ｎ個のプローブモジュール３１からなる電極構造が用いられる。
【０１４０】
図１４（ｂ）に示すように、実施例（Ｂ）は、アドレス＃０〜＃ｎ−１のネガティブコントロールモジュール３２と、これら複数のネガティブコントロールモジュール３２の各々に対応付けられた複数のプローブモジュール３１が配置されている。
【０１４１】
図１４（ｃ）に示すように、実施例（Ｃ）は、アドレス＃０〜＃ｎ−１のｎ個のネガティブコントロールモジュール３２と、このネガティブコントロールモジュール３２の各々に１：１で対応したアドレス＃０〜＃ｎ−１のｎ個のプローブモジュール３１が配置されている。
【０１４２】
前述の通り、電気化学測定においてはアナログデータ取得、アナログ／デジタル変換、ピーク判定の３つの行為を繰り返し行う。プローブモジュール３１同士の比較は一連の測定動作が終了した後実行されるのに対し、ネガティブコントロールモジュール３２と各プローブモジュール３１の比較すなわち減算は、（１ａ）アナログデータ取得後アナログ演算により行う。（２ａ）Ａ／Ｄ変換後にディジタル的に行う。（３ａ）それぞれの電極におけるピークデータを取得した後行う、という３種類が考えられる。（１ａ）については、対照極２０４と検出極２０１が対となっている図１４（ｃ）の場合に特に適用の実現性が有る。それ以外はどの場合でも適用可能である。
【０１４３】
作業のタイミングチャートを図１５〜図１７に示す。図中「測定＋ｎ．ｃ．減算」と記載されているタイミングは、アナログデータ取得、Ａ／Ｄ変換、ピーク判定の一連の操作の途中で（１ａ）あるいは（２ａ）のいずれかの方法によりネガティブコントロール側とプローブ側からの信号間の減算を行う操作を示す。（３ａ）の方法によりネガティブコントロールモジュール３２とプローブモジュール３１との間の差を求める場合には、通常のプローブ間の比較と同様に、随時計算を行うことなる。より詳細には、「測定」には、端子で電流信号を検出し、電流／電圧変換し、Ａ／Ｄ変換し、ピーク抽出し、平均値操作する工程の少なくとも１つを含む。また、「比較」は、モジュール間のデータの比較を行うことにより例えば塩基配列を決定するための判定を行う工程に対応する。
【０１４４】
ただし、（１ａ）、（２ａ）、（３ａ）の選択は、ピーク値検出の精度によって好ましいものが決定される。通常、電気分解を用いた遺伝子解析装置による測定を行う場合、電気分解測定の代表値となるピーク電流値を与えるポテンシオスタット部の入力電圧は、電極を浸漬する挿入剤に対して固有に決定される。よって、ピークを検出する前に検出極と対照極の減算を行っても、ピーク検出の後に減算を行っても、同一の結果が得られる。実際の測定では、ピークを与える入力電圧にばらつきが出る場合がある。このばらつきが大きい場合、ピーク検出を行った後に減算を行う（３ａ）の方法で行うことが有効である。逆にばらつきが無視できるほど小さい場合、（１ａ）、（２ａ）、（３ａ）のうち計算負荷、消費電力、トランジスタを配置できるチップ面積などの要素を加味して最適なものを選べば良い。したがって、たとえば図１２は（３ａ）の方式であるが、ほんの一例に過ぎず、実施形態としても図１２の構成に限定されるものではない。
【０１４５】
図１５に示すように、実施例（Ａ）の場合、ネガティブコントロールモジュール３２とプローブモジュール３１のすべてにおいて同時に測定及びｎ．ｃ．減算が行われる必要がある。ｎ．ｃ．減算の工程では、ネガティブコントロールモジュール３２は各プローブモジュール３１に対して減算データを送出し、各プローブモジュール３１はこの減算データを取得し、予め測定しておいた測定データをこの減算データで減算する工程を実行する。減算終了後、任意の２つのプローブモジュール３１同士で塩基配列決定のための比較がなされる。比較は、すべてのプローブモジュール３１で測定後の同じタイミングで並列に行われてもよいし、図１５に示すようにシリアルに行われ、逐次コンピュータ１に比較結果を示すデータが送出されるようにしてもよい。
【０１４６】
図１６に示すように、実施例（Ｂ）の場合、互いに減算の対象となる１つの処理単位（図１６の例では４つのプローブモジュールと１つのネガティブコントロールモジュール）毎に、測定及びｎ．ｃ．減算が行われなければならないが、他の処理単位とは同時である必要は無い。また、各処理単位の中のプローブモジュール同士の任意の組合せについて図１５の場合と同じ比較工程が実行される。１つの処理単位について見れば、図１５の例と同じ測定動作となる。
【０１４７】
図１７に示すように、実施例（Ｃ）の場合、１組のネガティブコントロールモジュール３２とプローブモジュール３１は同時に測定及びｎ．ｃ．減算が行われる。図１７では、各モジュールの対について別個のタイミングで測定及びｎ．ｃ．減算が行われる場合を示したが、これに限定されない。特に、プローブモジュール３１同士で平均や比較などの工程を実行する場合、その平均や比較などの処理の対象となるプローブモジュール３１同士は同じタイミングで測定がなされる。
【０１４８】
ハードウェアの構成として測定と減算を行うことの可能なユニットを多数設けることにより、図１５〜図１７の測定及び対照極の測定をさらに同時多並列に行うことが可能となる。この場合、測定ブロック間の条件の同一性をさらに高めることができる。
【０１４９】
サイクリックボルタンメトリにより１．０Ｖの電圧範囲を１００ｍＶ／ｓで掃引する場合、１０秒かかることとなる。１００個のプローブ電極を使用する場合、本システムを用いずに直列に測定を行ったとすると、全測定時間は１０００秒となる。実験データから、この間に１０ｎＡ程度の差異がヘキストの吸着量の違いによって発生する可能性が有ることが分かる。本システムでは測定の同時性を高めることにより、このような誤差を排除した測定が可能である。
【０１５０】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、自動で精度の高い塩基配列の検出及び解析を行うことができる塩基配列解析チップが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る塩基配列解析装置の一例を示す図。
【図２】同実施形態に係る塩基配列検出チップ表面に設けられた電極構造の一例を示す図。
【図３】同実施形態に係る塩基配列解析チップの回路構成の一例のブロック図。
【図４】同実施形態に係る塩基配列解析チップを用いた電気化学信号検出及び検出データの解析処理のフローチャートの一例を示す図。
【図５】同実施形態に係るプローブモジュールの詳細な構成の一例を示すブロック図。
【図６】同実施形態に係る演算記憶装置による測定動作（ｓ２）の詳細なフローを示す図。
【図７】同実施形態に係る演算記憶装置の詳細な構成の一例を示すブロック図。
【図８】同実施形態に係るピーク値の算出のフローチャートを示す図。
【図９】同実施形態に係る平均操作の詳細なフローチャートを示す図。
【図１０】同実施形態に係るモジュール間減算処理のフローチャートを示す図。
【図１１】同実施形態に係る読み出し処理のフローチャートを示す図。
【図１２】同実施形態に係るプローブモジュールの変形例を示す図。
【図１３】同実施形態に係る電極構造の変形例を示す図。
【図１４】同実施形態に係るモジュールの概念図。
【図１５】同実施形態に係るモジュールのタイミングチャートを示す図。
【図１６】同実施形態に係るモジュールのタイミングチャートを示す図。
【図１７】同実施形態に係るモジュールのタイミングチャートを示す図。
【図１８】セル内の酸化電流と挿入剤浸漬時間の関係を示す図。
【符号の説明】
１…コンピュータ
２…塩基配列解析チップ
１１…基板
１２…電極
１３…セル
２１…検出極系
２２…対照極系
２０１…検出極
２０２，２０５…参照極
２０３，２０６…対極
２０４…対照極
３１１〜３１ｎ…プローブモジュール
３２…ネガティブコントロールモジュール
３３…グローバル命令バス
３４…グローバルアドレスバス
３５…グローバルデータバス
４１…インタフェース回路
４２…デコーダ
４３…グローバル制御回路
５１…ローカル制御デコーダ
５２…算術論理演算回路
５３…汎用レジスタ
５４…結果格納専用レジスタ
４１０…デジタル関数発生器
４２０…Ｄ／Ａ変換器
４３０…ポテンシオ・スタット
４４０…Ａ／Ｄ変換器
４５０…演算記憶装置
７０１…デコード／制御回路
７０２…ポテンシオ・スタット
７０３…Ｉ／Ｖ変換回路
７０４…Ａ／Ｄ変換器
７０５…ピーク抽出回路
７０６，７０９…セレクタ
７０７，７０８…レジスタ
７１０…差分器
Claims (3)
- 基板と、
前記基板上に形成され、検出の対象とする標的塩基配列とは相補的な塩基配列を有するプローブが固定化される複数の検出極と、
前記基板上に形成され、前記標的塩基配列と相補的な塩基配列を有するプローブが固定化されていない対照極と、
前記基板に形成され、前記複数の検出極の電気化学信号を測定する第１測定部と、
前記基板に形成され、前記対照極の電気化学信号を測定する第２測定部と、
前記基板に形成され、第１測定部の第１測定値から第２測定部の第２測定値を減算する減算部と、
前記基板外部からの信号に基づき、第１測定部及び第２測定部の測定を同時に制御し、かつ減算部の減算を制御する制御部と
を具備し、
前記複数の検出極は、少なくとも２つの検出極からなる検出極群の集合からなり、
前記対照極は、少なくとも２つの対照極からなる対照極群の集合からなり、
第１測定部は前記複数の検出極群の各々に対して１つずつ複数設けられ、
第２測定部は前記複数の対照極群の各々に対して１つずつ複数設けられ、
前記制御部は、前記複数の第１測定部の測定を同時に制御し、且つ前記複数の第２測定部の測定を同時に制御する塩基配列解析チップ。 - 前記減算部は、複数の第１測定部の各々に１つずつ複数設けられてなり、
前記制御部は、前記複数の減算部の減算を同時に制御する
請求項１に記載の塩基配列解析チップ。 - 基板と、
前記基板上に形成され、検出の対象とする標的塩基配列とは相補的な塩基配列を有するプローブが固定化される複数の検出極と、
前記基板上に形成され、前記標的塩基配列と相補的な塩基配列を有するプローブが固定化されていない対照極と、
前記基板に形成され、前記複数の検出極の電気化学信号を測定する第１測定部と、
前記基板に形成され、前記対照極の電気化学信号を測定する第２測定部と、
前記基板に形成され、第１測定部の第１測定値から第２測定部の第２測定値を減算する減算部と、
前記基板外部からの信号に基づき、第１測定部及び第２測定部の測定を同時に制御し、かつ減算部の減算を制御する制御部と
を具備し、
前記対照極は複数設けられ、第１測定部は複数の検出極の各々に対して１つずつ複数設けられ、第２測定部は複数の対照極の各々に対して１つずつ複数設けられてなり、前記制御部は、複数の第１測定部及び複数の第２測定部の各々の測定を同時に制御する塩基配列解析チップ。
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